Silicon Photonics
Optika v křemíkovém hávu
Broadband neboli širokopásmové připojení hýbe světem. Není divu, vstupujeme do věku informací a šířka cesty, po níž k nám mohou plynout informace, je - kromě kvality těchto informací - jedním z nejdůležitějších předpokladů úspěchu v nových (a stále novějších) podmínkách.

FOTONIKA
O tom, že skleněná vlákna jsou k přenosu informací mnohem vhodnějším médiem než zastaralé dráty, dnes už vůbec není pochyb. Podobně jako může jediný televizní kabel přenášet stovky jednotlivých kanálů elektrického signálu na různých nosných frekvencích, může optické vlákno přenášet dokonce miliony kanálů světelných vln s různou frekvencí (barvou), protože světelné vlny jsou nesrovnatelně kratší. Teoretická přenosová kapacita optického vlákna je přes 100 bilionů (100 x 1012) bitů za sekundu, takže jediné optické vlákno by v ideálním případě mohlo současně přenášet všechny telefonické rozhovory probíhající na zeměkouli. Nejen mnohem vyšší kapacita, ale i odolnost proti elektromagnetickému rušení a koneckonců i nižší hmotnost jsou přednosti, díky nimž fotonika, tedy použití optických prvků v oboru informatiky a komunikací, vítězí i přes obtíže při realizaci optoelektronických zařízení. Tyto potíže nejsou pouze rázu technického - dostatečně výkonné prvky optoelektronického přenosového řetězce už existují -, ale jde především o potíže technologické. Výroba efektivních fotonických zařízení a zejména jejich dostatečně přesná montáž jsou zatím značně obtížné, a tedy i nákladné.
Pro osvětlení problému si představme jednotlivé prvky optoelektronického přenosového řetězce (obr. 1, 2). Na vysílací straně jsou to především zdroje světla (lasery s různou vlnovou délkou), modulátory, které na nosnou vlnu kódují příslušný datový signál, a multiplexor, zařízení spojující signály s různou nosnou frekvencí do jediného proudu pro přenos optickým vláknem. Na straně příjemce pak je demultiplexor, který rozděluje signály s různou nosnou frekvencí, fotodetektory, přeměňující optické signály na elektrické, a nakonec běžný elektronický systém pro zpracování přenesených dat. Jaké jsou problémy realizace takového optoelektronického řetězce a jak se s nimi vyrovnali výzkumníci firmy Intel?

KŘEMÍKOVÁ FOTONIKA
Lasery už nemají jen původní formu "zářícího" krystalu. Jedním z typů, který je používán především ve fotonice, jsou lasery polovodičové. Nejjednodušším typem polovodičového laseru je Fabryho-Perotův laser, který generuje světelný paprsek v širšim vlnovém spektru. Aby se získal paprsek monochromatický, resp. ve velmi úzkém spektru, užívá se zařízení nazývané external cavity laser, ECL. V něm světlo generované polovodičovým laserem prochází mřížkovým filtrem, tvořeným několika polopropustnými zrcadly řazenými v odstupech za sebou. Tento filtr většinu světelného vlnění propustí a odrazí zpět jen vlny určité délky. Ty se v laseru dále zesílí a vystupují jeho druhým koncem ven.
ECL laser má nevýhodu v tom, že pracuje se světlem v širším rozsahu vlnových délek, na druhé straně je však mnohem levnější než laser monochromatický. Jeho hlavní problém spočívá v tom, že mřížkový filtr potřebuje "ladění". Toho lze nejsnadněji dosáhnout při použití pohyblivých dílů, ale toto řešení má řadu nevýhod (složitost, omezenou rychlost, nízkou spolehlivost a životnost). Ve výzkumných laboratořích firmy Intel byl proto navržen optický prvek na levné křemíkové bázi, filtrační mřížka miniaturních rozměrů. Změnami teploty se ovlivňují optické parametry mřížky a tím se dosáhne účinné filtrace, jejímž výstupem je monochromatické světlo vystupující z polovodičového laseru.
V "křemíkové" fotonice se používá infračervené světlo, tedy světlo s vyšší vlnovou délkou, než má světlo viditelné, protože pro infračervené světlo je křemík průhledný. Tato výhoda se však stává nevýhodou, chceme-li na bázi křemíku vytvořit fotodetektor, tedy prvek nezbytný na konci přenosového řetězce. V průhledném elementu se světlo nezachytí, takže jej nelze ani detekovat. Proto u Intelu vytvořili křemíkový prvek s přídavkem germania, který lze použít jako fotodetektor infračerveného světla.
Dalším velkým problémem fotoniky je montáž, přesněji řečeno zajištění dokonalé souososti a soustřednosti optických vláken a ostatních fotonických prvků. I ten řešili výzkumníci firmy Intel s uplatněním zkušeností firmy v litografických a elektrolytických postupech užívaných při výrobě křemíkových čipů - přesnost ustavení optického vlákna zajišťují jemné vodicí drážky vyhloubené v křemíkovém prvku a dále sloužící jako vodiče vln.

GIGAHERTZOVÝ MODULÁTOR
Zatím nepřekonaným problémem fotoniky bylo vytvoření dostatečně rychlého modulátoru světelných vln, tedy zařízení, které na světlo nosné frekvence kóduje datový signál (řadu nul a jedniček v binárním kódu). Nejjednodušší řešení, které napadne každého, je střídavě zapínat a vypínat laserový zdroj světla. Tento jinak efektivní způsob má však vážný nedostatek - při vypínání a zapínání laseru dochází ke změnám vyzařovaných frekvencí (označovaným jako chirping, cvrlikání), které značně ztěžují jeho použití pro přenos dat.
Řešením jsou externí modulátory, tedy modulační zařízení zařazená za výstupem z laseru. Opět zřejmě nejjednodušším řešením je mechanické zařízení, závěrka, která v příslušném rytmu přerušuje proud světla. Avšak podobně jako u ECL laseru mechanické zařízení nemá dostatečnou rychlost, spolehlivost a životnost. Přirozeným krokem tedy bylo modulační zařízení vyrobené postupy na bázi křemíku, používanými v elektronice. S optoelektronickými modulátory založenými na běžných principech však bylo dosaženo pouze frekvence okolo 20 MHz, což je rychlost, kterou dnes vykazují i naprosto běžné elektronické síťové adaptéry.
V laboratořích firmy Intel byl proto vyvinut optoelektronický modulátor založený na zcela novém principu, na interferenci či skládání světelných vln. Pracuje tak, že nosnou vlnu nejprve rozdělí do dvou proudů-signálů, jejichž vlnění probíhá ve stejné fázi. Jeden ze signálů se potom fázově posune a signály se opět spojí do jediného, takže se jejich vlny skládají. Je-li fázový posuv rovný polovině vlnové délky (signály jsou v protifázi), vlny obou signálů se vzájemně vyruší a výsledná vlna má nulovou amplitudu, tedy světlo má nulovou intenzitu. Při nulovém fázovém posuvu se zase vlny sčítají, takže výsledná vlna má dvojnásobnou amplitudu (intenzitu) než každá ze složek (obr. 3). Pokud budeme fázový posuv měnit v rytmu odpovídajícím datovému řetězci nul a jedniček, dostaneme na výstupu modulovaný světelný signál obsahující zakódovaná data.
Fotonické zařízení na popsaném principu bylo veřejnosti poprvé představeno na Intel Development Foru v únoru 2003. V současné době dosahuje rychlosti okolo 1 GHz, ale výzkumníci očekávají, že by mohlo dosáhnout frekvencí 10 až 40 GHz.

PROČ KŘEMÍKOVÁ FOTONIKA?
Křemíková fotonika umožňuje dosažení vysokých výkonů při přenosu a zpracování signálů v zařízeních miniaturních rozměrů, která se vyrábějí dnes už levnou a osvědčenou technologií vyvinutou při výrobě integrovaných obvodů. Navíc jde o přirozenou volbu shodného základního materiálu a obdobných principů, protože kombinace elektronických a optických prvků bude asi ještě dlouho základem pokroku v oblasti informatiky a komunikací. Cílem dalšího výzkumu je integrace všech fotonických prvků do jediného složeného dílu, podobně jako integrovaný obvod je kombinací obrovského množství tranzistorů a diod na jediné destičce křemíku.
Zřejmé uplatnění najde křemíková fotonika v oblasti komunikace mezi jednotlivými servery, ale i pracovními stanicemi, PC a ostatními zařízeními. Bude však jistě použita i pro efektivní vnitřní komunikaci mezi jednotlivými subsystémy počítače (procesoru a paměti apod.). Při hromadném charakteru výroby křemíkových dílů se dá očekávat, že v dohledné době bude každý počítač včetně přenosných i kapesních vybaven levným rozhraním pro širokopásmové připojení na bázi křemíkové fotoniky.

Josef Chládek