W elektronice elektrony wykonują dla nas różne zadania — na przykład przenoszą dane z jednego punktu do drugiego. Jednak w ostatnich latach naukowcy zaczęli używać fotonów — cząstek światła — do wykonywania podobnych zadań.

Wszyscy znamy układy scalone (IC); wkrótce będziemy podobnie zaznajomieni z „układami scalonymi fotonicznymi” (PIC). Witamy w świecie fotoniki.

Od dziesięcioleci używamy światłowodów do komunikacji. Kiedy mówisz „cześć” do telefonu, dźwięki są zamieniane na sygnały elektryczne, które są ponownie zamieniane na sygnały świetlne (fotoniczne) przez urządzenia zwane transceiverami. Światło przechodzi przez włókno i jest zamieniane z powrotem na dźwięk, aby osoba po drugiej stronie mogła usłyszeć twoje „cześć”.

Teraz wyobraź sobie, że robisz to wewnątrz układu scalonego — do zastosowań w szybkiej komunikacji i obszarach poza komunikacją, takich jak przetwarzanie danych i wykrywanie. W końcu światło porusza się znacznie szybciej niż sygnały elektryczne, więc możesz przetwarzać większe ilości danych szybciej i przy znacznie mniejszym zużyciu energii. „Fotonika w półprzewodnikach przyniesie cechy światła pod względem szybkości, szerokości pasma i niskich strat, aby tworzyć rzeczy, o których nawet nie myśleliśmy” — powiedział P Raja Manickam, weteran przemysłu półprzewodnikowego, który założył firmę produkującą układy scalone fabless, iVP Semiconductor Pvt Ltd, w wywiadzie dla quantum.

Naukowcy, tacy jak dr Bijoy Krishna Das, główny badacz w Silicon Photonics Centre of Excellence, Center for Programmable Photonic Integrated Circuits and Systems (CoE-CPPICS), IIT Madras, twierdzą, że wplatanie fotonów w obwody elektroniczne ma wiele zalet. Das powiedział quantum, że w konwencjonalnej elektronice komponenty (takie jak falowody) są z natury ograniczone przez ich zdolność do radzenia sobie z dużą mocą — obszar, w którym fotonika może wkroczyć. PIC mogą uzupełniać przemysł elektroniczny, powiedział Das.

Od nauki do inżynierii

Podczas gdy nauka zajmująca się fotoniką jest dość jasna, problem leży w inżynierii.

PIC to zespół „elementów fotonicznych”. Należą do nich lasery (źródło światła), falowody (kanały, które kierują światłem w układzie scalonym), fotodetektory (przekształcające światło w sygnały elektryczne), multipleksery i demultipleksery (łączące lub rozdzielające wiele długości fal światła) oraz wzmacniacze (wzmacniające moc sygnałów świetlnych w celu pokonania strat transmisyjnych).

Chociaż świat fotoniki jest gotowy na wprowadzenie rozwiązań inżynieryjnych, które otworzą pole do popisu dla nauki, wiele zmian wciąż pozostaje.

Wplatanie fotonów w elektronikę w celu tworzenia PIC nie jest łatwe. Krzem, dominujący materiał półprzewodnikowy, naturalnie nie emituje światła laserowego z sygnałów elektrycznych. Tak więc łączenie elementów fotonicznych z krzemem jest obarczone wieloma wyzwaniami. Jednym z nich jest „słaba wydajność łączenia” — gdy światło ze źródła nie jest prawidłowo kierowane do elementu fotonicznego, co skutkuje niezadowalającą wydajnością.

Badania nad inżynierią tych produktów odbywają się na całym świecie i według wielu relacji Indie nie pozostają w tyle. Na przykład CPPICS-CoE w IIT Madras opracowuje „nowe urządzenia fotoniczne do różnych zastosowań, takich jak obliczenia i wykrywanie”. Jego produkty obejmują różne elementy fotoniczne i procesory, których zastosowania mogą sięgać aż do komputerów kwantowych.

Krzem spotyka światło

Naukowcy z IIT Bombay i Tata Institute of Fundamental Research (TIFR) opracowali „nową metodę wykorzystania azotku krzemu do zwiększenia wydajności urządzeń fotonicznych”. Aby rozwiązać problem niskiej wydajności sprzężenia, zwrócili się ku temu samemu materiałowi dla emiterów, jak i dla elementów fotonicznych, w procesie zwanym „integracją monolityczną”.

Azotek krzemu (SiN) jest dobrym emiterem światła (pojedynczy emiter fotonów) w temperaturze pokojowej. Można go również łatwo wytworzyć przy użyciu obecnych technik wytwarzania półprzewodników (lub technologii CMOS — komplementarny półprzewodnik metalowo-tlenkowy).

Badania doprowadziły do ​​opracowania struktury SiN zwanej „rezonatorem mikropierścieniowym” w celu lepszego sprzężenia. Struktura ta zawiera mikrownękę, w której światło krąży wokół rezonatora mikropierścieniowego, skutecznie go uwięziając, aby stymulować jego emisję. Ta mikrownęka jest zaprojektowana tak, aby pomieścić tak zwane „tryby galerii szeptów” (WGM). Tryb galerii szeptów to zjawisko, w którym fale dźwiękowe lub świetlne przemieszczają się po wewnętrznej stronie zakrzywionej powierzchni, takiej jak ściany okrągłego pokoju lub kuli, bez utraty siły — szepty (sygnały świetlne) można usłyszeć lub wykryć z daleka po przeciwnej stronie krzywej. Naukowcy stworzyli również „wycięcie” w mikropierścieniu, które działa jako punkt, w którym światło wchodzi i wychodzi z pierścienia.

Nazywając to „przełomem”, IIT Bombay w artykule na swojej stronie internetowej stwierdza, że ​​jego naukowcy „wykazali wydajne sprzężenie tych emiterów światła”. Odkrywa to „nowe i skuteczne sposoby wydobywania uwięzionego światła, które wcześniej napotykały na poważne trudności”, stwierdza.

Przełom może oznaczać, że będziemy mogli w końcu produkować urządzenia emitujące na chipie dla wielu technologii fotonicznych i kwantowych. Badania rzuciły światło na potencjał azotku krzemu jako platformy, która „może wydajnie manipulować światłem na bardzo małą skalę”.

Kishor Kumar Mandal, który brał udział w badaniach, zauważa, że ​​rozwój ten „znacznie przyczynia się do umożliwienia wydajnej interakcji światła z materią, kontrolowanej emisji kwantowej, ulepszonych urządzeń fotonicznych, uproszczonej integracji i potencjału obliczeń kwantowych w fotonice kwantowej”.

Jak pisze w artykule, te osiągnięcia otwierają drogę do przełomowych zastosowań w zakresie bezpiecznej komunikacji, ultraszybkich obliczeń i innych rewolucyjnych technologii, które ukształtują przyszłość nauki i techniki.