Broadband neboli ÜirokopßsmovΘ p°ipojenφ h²be sv∞tem. Nenφ divu, vstupujeme do v∞ku informacφ a Üφ°ka cesty, po nφ₧ k nßm mohou plynout informace, je - krom∞ kvality t∞chto informacφ - jednφm z nejd∙le₧it∞jÜφch p°edpoklad∙ ·sp∞chu v nov²ch (a stßle nov∞jÜφch) podmφnkßch.
FOTONIKA
O tom, ₧e sklen∞nß vlßkna jsou k p°enosu informacφ mnohem vhodn∞jÜφm mΘdiem ne₧ zastaralΘ drßty, dnes u₧ v∙bec nenφ pochyb. Podobn∞ jako m∙₧e jedin² televiznφ kabel p°enßÜet stovky jednotliv²ch kanßl∙ elektrickΘho signßlu na r∙zn²ch nosn²ch frekvencφch, m∙₧e optickΘ vlßkno p°enßÜet dokonce miliony kanßl∙ sv∞teln²ch vln s r∙znou frekvencφ (barvou), proto₧e sv∞telnΘ vlny jsou nesrovnateln∞ kratÜφ. Teoretickß p°enosovß kapacita optickΘho vlßkna je p°es 100 bilion∙ (100 x 1012) bit∙ za sekundu, tak₧e jedinΘ optickΘ vlßkno by v ideßlnφm p°φpad∞ mohlo souΦasn∞ p°enßÜet vÜechny telefonickΘ rozhovory probφhajφcφ na zem∞kouli. Nejen mnohem vyÜÜφ kapacita, ale i odolnost proti elektromagnetickΘmu ruÜenφ a koneckonc∙ i ni₧Üφ hmotnost jsou p°ednosti, dφky nim₧ fotonika, tedy pou₧itφ optick²ch prvk∙ v oboru informatiky a komunikacφ, vφt∞zφ i p°es obtφ₧e p°i realizaci optoelektronick²ch za°φzenφ. Tyto potφ₧e nejsou pouze rßzu technickΘho - dostateΦn∞ v²konnΘ prvky optoelektronickΘho p°enosovΘho °et∞zce u₧ existujφ -, ale jde p°edevÜφm o potφ₧e technologickΘ. V²roba efektivnφch fotonick²ch za°φzenφ a zejmΘna jejich dostateΦn∞ p°esnß montß₧ jsou zatφm znaΦn∞ obtφ₧nΘ, a tedy i nßkladnΘ.
Pro osv∞tlenφ problΘmu si p°edstavme jednotlivΘ prvky optoelektronickΘho p°enosovΘho °et∞zce (obr. 1, 2). Na vysφlacφ stran∞ jsou to p°edevÜφm zdroje sv∞tla (lasery s r∙znou vlnovou dΘlkou), modulßtory, kterΘ na nosnou vlnu k≤dujφ p°φsluÜn² datov² signßl, a multiplexor, za°φzenφ spojujφcφ signßly s r∙znou nosnou frekvencφ do jedinΘho proudu pro p°enos optick²m vlßknem. Na stran∞ p°φjemce pak je demultiplexor, kter² rozd∞luje signßly s r∙znou nosnou frekvencφ, fotodetektory, p°em∞≥ujφcφ optickΘ signßly na elektrickΘ, a nakonec b∞₧n² elektronick² systΘm pro zpracovßnφ p°enesen²ch dat. JakΘ jsou problΘmy realizace takovΘho optoelektronickΘho °et∞zce a jak se s nimi vyrovnali v²zkumnφci firmy Intel?
K╪EM═KOV┴ FOTONIKA
Lasery u₧ nemajφ jen p∙vodnφ formu "zß°φcφho" krystalu. Jednφm z typ∙, kter² je pou₧φvßn p°edevÜφm ve fotonice, jsou lasery polovodiΦovΘ. NejjednoduÜÜφm typem polovodiΦovΘho laseru je Fabryho-Perot∙v laser, kter² generuje sv∞teln² paprsek v ÜirÜim vlnovΘm spektru. Aby se zφskal paprsek monochromatick², resp. ve velmi ·zkΘm spektru, u₧φvß se za°φzenφ naz²vanΘ external cavity laser, ECL. V n∞m sv∞tlo generovanΘ polovodiΦov²m laserem prochßzφ m°φ₧kov²m filtrem, tvo°en²m n∞kolika polopropustn²mi zrcadly °azen²mi v odstupech za sebou. Tento filtr v∞tÜinu sv∞telnΘho vln∞nφ propustφ a odrazφ zp∞t jen vlny urΦitΘ dΘlky. Ty se v laseru dßle zesφlφ a vystupujφ jeho druh²m koncem ven.
ECL laser mß nev²hodu v tom, ₧e pracuje se sv∞tlem v ÜirÜφm rozsahu vlnov²ch dΘlek, na druhΘ stran∞ je vÜak mnohem levn∞jÜφ ne₧ laser monochromatick². Jeho hlavnφ problΘm spoΦφvß v tom, ₧e m°φ₧kov² filtr pot°ebuje "lad∞nφ". Toho lze nejsnadn∞ji dosßhnout p°i pou₧itφ pohybliv²ch dφl∙, ale toto °eÜenφ mß °adu nev²hod (slo₧itost, omezenou rychlost, nφzkou spolehlivost a ₧ivotnost). Ve v²zkumn²ch laborato°φch firmy Intel byl proto navr₧en optick² prvek na levnΘ k°emφkovΘ bßzi, filtraΦnφ m°φ₧ka miniaturnφch rozm∞r∙. Zm∞nami teploty se ovliv≥ujφ optickΘ parametry m°φ₧ky a tφm se dosßhne ·ΦinnΘ filtrace, jejφm₧ v²stupem je monochromatickΘ sv∞tlo vystupujφcφ z polovodiΦovΘho laseru.
V "k°emφkovΘ" fotonice se pou₧φvß infraΦervenΘ sv∞tlo, tedy sv∞tlo s vyÜÜφ vlnovou dΘlkou, ne₧ mß sv∞tlo viditelnΘ, proto₧e pro infraΦervenΘ sv∞tlo je k°emφk pr∙hledn². Tato v²hoda se vÜak stßvß nev²hodou, chceme-li na bßzi k°emφku vytvo°it fotodetektor, tedy prvek nezbytn² na konci p°enosovΘho °et∞zce. V pr∙hlednΘm elementu se sv∞tlo nezachytφ, tak₧e jej nelze ani detekovat. Proto u Intelu vytvo°ili k°emφkov² prvek s p°φdavkem germania, kter² lze pou₧φt jako fotodetektor infraΦervenΘho sv∞tla.
DalÜφm velk²m problΘmem fotoniky je montß₧, p°esn∞ji °eΦeno zajiÜt∞nφ dokonalΘ souososti a soust°ednosti optick²ch vlßken a ostatnφch fotonick²ch prvk∙. I ten °eÜili v²zkumnφci firmy Intel s uplatn∞nφm zkuÜenostφ firmy v litografick²ch a elektrolytick²ch postupech u₧φvan²ch p°i v²rob∞ k°emφkov²ch Φip∙ - p°esnost ustavenφ optickΘho vlßkna zajiÜ¥ujφ jemnΘ vodicφ drß₧ky vyhloubenΘ v k°emφkovΘm prvku a dßle slou₧φcφ jako vodiΦe vln.
GIGAHERTZOV▌ MODUL┴TOR
Zatφm nep°ekonan²m problΘmem fotoniky bylo vytvo°enφ dostateΦn∞ rychlΘho modulßtoru sv∞teln²ch vln, tedy za°φzenφ, kterΘ na sv∞tlo nosnΘ frekvence k≤duje datov² signßl (°adu nul a jedniΦek v binßrnφm k≤du). NejjednoduÜÜφ °eÜenφ, kterΘ napadne ka₧dΘho, je st°φdav∞ zapφnat a vypφnat laserov² zdroj sv∞tla. Tento jinak efektivnφ zp∙sob mß vÜak vß₧n² nedostatek - p°i vypφnßnφ a zapφnßnφ laseru dochßzφ ke zm∞nßm vyza°ovan²ch frekvencφ (oznaΦovan²m jako chirping, cvrlikßnφ), kterΘ znaΦn∞ zt∞₧ujφ jeho pou₧itφ pro p°enos dat.
╪eÜenφm jsou externφ modulßtory, tedy modulaΦnφ za°φzenφ za°azenß za v²stupem z laseru. Op∞t z°ejm∞ nejjednoduÜÜφm °eÜenφm je mechanickΘ za°φzenφ, zßv∞rka, kterß v p°φsluÜnΘm rytmu p°eruÜuje proud sv∞tla. AvÜak podobn∞ jako u ECL laseru mechanickΘ za°φzenφ nemß dostateΦnou rychlost, spolehlivost a ₧ivotnost. P°irozen²m krokem tedy bylo modulaΦnφ za°φzenφ vyrobenΘ postupy na bßzi k°emφku, pou₧φvan²mi v elektronice. S optoelektronick²mi modulßtory zalo₧en²mi na b∞₧n²ch principech vÜak bylo dosa₧eno pouze frekvence okolo 20 MHz, co₧ je rychlost, kterou dnes vykazujφ i naprosto b∞₧nΘ elektronickΘ sφ¥ovΘ adaptΘry.
V laborato°φch firmy Intel byl proto vyvinut optoelektronick² modulßtor zalo₧en² na zcela novΘm principu, na interferenci Φi sklßdßnφ sv∞teln²ch vln. Pracuje tak, ₧e nosnou vlnu nejprve rozd∞lφ do dvou proud∙-signßl∙, jejich₧ vln∞nφ probφhß ve stejnΘ fßzi. Jeden ze signßl∙ se potom fßzov∞ posune a signßly se op∞t spojφ do jedinΘho, tak₧e se jejich vlny sklßdajφ. Je-li fßzov² posuv rovn² polovin∞ vlnovΘ dΘlky (signßly jsou v protifßzi), vlny obou signßl∙ se vzßjemn∞ vyruÜφ a v²slednß vlna mß nulovou amplitudu, tedy sv∞tlo mß nulovou intenzitu. P°i nulovΘm fßzovΘm posuvu se zase vlny sΦφtajφ, tak₧e v²slednß vlna mß dvojnßsobnou amplitudu (intenzitu) ne₧ ka₧dß ze slo₧ek (obr. 3). Pokud budeme fßzov² posuv m∞nit v rytmu odpovφdajφcφm datovΘmu °et∞zci nul a jedniΦek, dostaneme na v²stupu modulovan² sv∞teln² signßl obsahujφcφ zak≤dovanß data.
FotonickΘ za°φzenφ na popsanΘm principu bylo ve°ejnosti poprvΘ p°edstaveno na Intel Development Foru v ·noru 2003. V souΦasnΘ dob∞ dosahuje rychlosti okolo 1 GHz, ale v²zkumnφci oΦekßvajφ, ₧e by mohlo dosßhnout frekvencφ 10 a₧ 40 GHz.
PRO╚ K╪EM═KOV┴ FOTONIKA?
K°emφkovß fotonika umo₧≥uje dosa₧enφ vysok²ch v²kon∙ p°i p°enosu a zpracovßnφ signßl∙ v za°φzenφch miniaturnφch rozm∞r∙, kterß se vyrßb∞jφ dnes u₧ levnou a osv∞dΦenou technologiφ vyvinutou p°i v²rob∞ integrovan²ch obvod∙. Navφc jde o p°irozenou volbu shodnΘho zßkladnφho materißlu a obdobn²ch princip∙, proto₧e kombinace elektronick²ch a optick²ch prvk∙ bude asi jeÜt∞ dlouho zßkladem pokroku v oblasti informatiky a komunikacφ. Cφlem dalÜφho v²zkumu je integrace vÜech fotonick²ch prvk∙ do jedinΘho slo₧enΘho dφlu, podobn∞ jako integrovan² obvod je kombinacφ obrovskΘho mno₧stvφ tranzistor∙ a diod na jedinΘ destiΦce k°emφku.
Z°ejmΘ uplatn∞nφ najde k°emφkovß fotonika v oblasti komunikace mezi jednotliv²mi servery, ale i pracovnφmi stanicemi, PC a ostatnφmi za°φzenφmi. Bude vÜak jist∞ pou₧ita i pro efektivnφ vnit°nφ komunikaci mezi jednotliv²mi subsystΘmy poΦφtaΦe (procesoru a pam∞ti apod.). P°i hromadnΘm charakteru v²roby k°emφkov²ch dφl∙ se dß oΦekßvat, ₧e v dohlednΘ dob∞ bude ka₧d² poΦφtaΦ vΦetn∞ p°enosn²ch i kapesnφch vybaven levn²m rozhranφm pro ÜirokopßsmovΘ p°ipojenφ na bßzi k°emφkovΘ fotoniky.
