Optički čipovi, Fotonski čipovi, Optički pretvarači...

Računari sledeće generacije mogli bi da rade brzinom svetlosti zahvaljujući fotonskim kristalima – materijalima koji blokiraju i kanališu svetlost unutar ekstremno malih prostora. U komponentama takvih računara podatke bi prenosili i pohranjivali paketići svetlosti, fotoni, slično elektronima u klasičnim računarskim čipovima. Stručnjaci predviđaju da bi fotonski kristali mogli da nađu primenu u gotovo svim vrstama moderne elektronike, od mobilnih telefona do superračunara, povećavajući brzinu i efikasnost i smanjujući dimenzije uređaja.

Kod klasičnih silicijumskih čipova, prilikom prenosa podataka elektroni se usmeravaju kroz elektronske sklopke ili tranzistore. Međutim, elektroni su naelektrisane čestice koje interaguju kad se nađu na manjem međusobnom rastojanju, što za posledicu ima oslobađanje viška toplote (zagrevanje komponente) i gubitak pokretljivosti. Sa fotonskim kristalima ovaj problem je izbegnut, jer se za prenos podataka upotrebljavaju nenaelektrisani fotoni. Fotonski kristali se izrađuju uglavnom od polutransparentnog materijala, kao što je silicijum ili staklo, u kojem se formira veoma organizovana mikrostruktura, tako da materijal u najvećem broju slučajeva pod mikroskopom nalikuje na blok ispunjen gomilom šupljih loptica. Prečnik svake loptice je oko hiljadu puta manji od prečnika jedne vlasi ljudske kose – dimenzije koje odgovaraju talasnoj dužini svetlosti. Veoma organizovana mikrostruktura zarobljava svetlost koja upadne u kristal. Naučnici su pronašli da se promenom dimenzija pojedinih šupljih loptica ili hemijske mikrostrukture fotonskog kristala mogu uvesti određene nepravilnosti ili “defekti” u kristalnu rešetku, koji zatim deluju kao efikasni provodnici svetlosti u određenom smeru. Navođena svetlost putuje kao elektroni u čipu, ali znatno većom brzinom. Uvođenjem specifičnih defekata u kristal, mogu se napraviti sofisticirani optički elementi, kao što su svetlosni prekidači, filteri i mini-laseri. Ovakvi sistemi predstavljaju neophodne komponente za umrežavanje preko optičkih vlakana.


Fotonski čipovi

Osvajanje procesa proizvodnje praktičnih čipova od fotonskih kristala zahteva prethodno suočavanje sa nekoliko izazova: razvoj tehnike proizvodnje trodimenzionalnih komponenti koje emituju svetlost iz specifičnih tačaka, ugrađivanje mogućnosti emitovanja na talasnim dužinama koje koristi današnja telekomunikacijska oprema i organizovanje proizvodnog procesa odgovarajućeg za masovnu proizvodnju.



Demonstracija leta minijaturnog helikoptera kojeg je konstruisala Seiko Epson korporacija. Ova letelica teska svega 12.3 grama i visoka 85 milimetara koristice se u bezbednosne svrhe, za spasilacke operacije i istrazivanje svemira

Istraživači sa Kornel univerziteta (SAD) su pre nekoliko meseci opisali tehnike za pravljenje fotonskih mikročipova, uključujući i metode za sprovođenje i skretanje svetlosti u vazduhu i vakuumu, prekidanje i uključivanje svetlosnog snopa i povezivanje nanofotonskih čipova na optičko vlakno. Na godišnjem skupu Američkog udruženja za unapređivanje nauke (AAAS) održanom nedavno u Sijetlu, profesor Majkl Lipson, vođa grupe istraživača sa Kornela, predložio je kao prvu praktičnu primenu nanofotonskih kola ugrađivanje u rutere i ponavljače za optičke komunikacijske sisteme, jer bi se na taj način približio dan uvođenja linija sa optičkim vlaknima u kućnu upotrebu. Međutim, prema nedavnom istraživačkom izveštaju iz Intela, trenutno je mnogo skuplje komunicirati svetlom nego električnom strujom. Uz to, proizvođači ne mogu prosto da pređu na optičke čip-na-čip konektore, jer procesori još uvek funkcionišu na električnom principu, što zahteva ugradnju i komponenti za optičko - električnu konverziju kao što su fotodetektori, modulatori i električni laseri. Jednu od pomenutih komponenata već je razvio IBM, sudeći po kompanijinom izveštaju od prošlog meseca u kojem se tvrdi da je razvijen fotodetektor velike brzine koji omogućava čipovima komunikaciju sa drugim delovima elektronskog sistema preko brzinskih svetlosnih pulseva i optičkih veza. Fotodetektor je zasnovan na nedavno razvijenoj tzv. germanijum-na-izolatoru (GOI) tehnologiji, što mu omogućava ugradnju u veliki broj standardnih čipova. IBM tvrdi da se na ovaj način štedi prostor, smanjuju troškovi i dramatično povećava brzina izmene podataka unutar personalnih računara, servera i računarskih mreža.

Istraživački timovi sa Masačusetskog instituta za tehnologiju (MIT) i Kjoto univerziteta tvrde da su uspeli da konstruišu komponente koje odgovaraju svim postavljenim zahtevima. Istraživači smatraju da bi se razvijene tehnike mogle primeniti za proizvodnju manjih i efikasnijih komunikacijskih sredstava, stvaranje optičke memorije, uređaja za kvantno računanje i komunikaciju, razvoj novih tipova lasera i bioloških i hemijskih senzora, kao i potpuno optičkih računarskih procesora.

Fotonski čipovi se mogu napraviti od istih poluprovodničkih materijala kao standardni računarski čipovi i uz upotrebu uobičajenih tehnika za pravljenje čipova kao što je fotolitografija. Fotonski čip istraživača sa MIT-a sastoji se od sedam slojeva, a svaki sloj od dva tipa dvodimenzionalnih fotonskih kristala. Jedan tip kristala obrazuju raspoređene minijaturne šipke okružene vazduhom, a drugi je čvrst materijal sa rupicama ispunjenim vazduhom. U svakom sloju ravan kristala sa šipkama je postavljena iznad ravni kristala sa rupicama.

Rupice imaju prečnik oko 500 nanometara (milijarditih delova metra) ili jednu desetinu veličine eritrocita, crvenih krvnih ćelija. Materijal blokira svetlost talasnih dužina 1,3, 1,4 i 1,5 mikrona (milionitih delova metra). Telekomunikacijski sistemi koriste talasne dužine bliske infracrvene oblasti od 1,3 i 1,5 mikrona. Istraživači su pojedine vazdušne rupice i prostore između šipki ispunili tokom procesa proizvodnje čvrstim materijalom i na taj način stvorili defekte koji provode svetlost. Sa dva tipa dvodimenzionalnih fotonskih kristala u svakom sloju kreira se trodimenzionalni kristal, koji omogućava i kontrolu polarizacije. Električno polje svetlosnog snopa je obično orijentisano u ravni normalnoj na snop. Sa druge strane, električno polje polarizovanog svetla je ograničeno na samo jedan smer unutar ravni. Kontrola polarizacije je veoma važna, jer prenos svetlosnih signala sa fotonskog kristala na optička vlakna zahteva poklapanje polarizacija. Istraživači tvrde da je ovakav kristal mnogo efikasniji od prethodno razvijenih trodimenzionalnih fotonskih kristala i da se sedam slojeva može formirati u svega četiri procesna koraka. MIT proces mogao bi se naći u praktičnoj primeni u proizvodnji telekomunikacijskih uređaja i hemijskih i bioloških senzora za dve do tri godine. Za razvoj praktičnog procesa za proizvodnju veoma kvalitetnih komponenti koje bi mogle da se povezuju na optičko vlakno trebalo bi oko pet godina. Za razvoj praktičnog procesa za proizvodnju jednostavnog, potpuno optičkog računarskog čipa možda bi trebalo oko deset godina. Fotonski kristal grupe sa Kjoto univerziteta sastoji se od normalnih slojeva poluprovodničkih šipki prečnika 200 nanometara, razmeštenih na međusobnom rastojanju od 700 nanometara. Ovakvi kristali precizno kontrolišu svetlost talasne dužine 1,55 mikrona. Istraživači su takođe zatvorili u “sendvič” unutar fotonskog kristala izvor svetlosti, što je značajan korak napred ka izradi potpuno integrisanih optičkih komponenata. Japanski istraživači smatraju da bi se komponente zasnovane na njihovoj metodi mogle naći u praktičnoj primeni za pet do deset godina.

Iako je potrebno da se još dosta poradi na razvoju fotonskog čipa kako bi postao praktična realnost, može se reći da i sa trenutnim stanjem stvari nije tako daleko dan kada će se personalni računar sa fotonskim čipovima naći u radnjama računarske opreme. Značajnu prepreku, kao što su predvideli Intelovi istraživači, predstavlja cena proizvodnje. Ipak, cene hardvera stalno padaju oslobađajući prostor za inovacije i ostvarivanje sna o računaru koji radi brzinom svetlosti. Gigaherc brzine su postale uobičajene za personalne računare, međutim sve dok računarski čipovi budu električni, gigaherc će ostati PC domen. Za prelaz u domen teraherc brzina – 1000 milijardi operacija u sekundi – možda će biti neophodno izvršiti prelaz sa elektronike na optiku.

Optički pretvarači

Prevođenje podataka iz optičkog oblika u električni i obrnuto je ključna funkcija za optičke komunikacije. Naime, podaci mogu da se prenose niz optičko vlakno u optičkom obliku, ali njihova obrada - radi, npr., uklanjanja nakupljenog šuma - zahteva digitalizovane električne pulseve. Proces pretvaranja je do sada bio veoma komplikovan i skup zbog mnogo komponenti potrebnih da se obavi posao. Međutim, nova tehnologija kompanije Infinera Corp. iz Sanivejla u Kaliforniji, SAD, nagoveštava pojednostavljenje i pojeftinjenje procesa kombinovanjem više od 50 optičkih komponenata – elemenata potrebnih za pretvaranje 10 tokova optičkih podataka iz svetlosnog u elektronski oblik i obratno – na samo dva fotonska integralna kola. Ova dva integralna kola su deo optičkog sistema umrežavanja koji obara cenu procesa pretvaranja za red veličine. Uz to, ovo je prvi put da su tako visoko integrisani fotonski čipovi ikada napravljeni. Stručnjaci smatraju da bi nova tehnologija mogla da preoblikuje komunikacijsku industriju.

Osvajanje procesa proizvodnje praktičnih čipova od fotonskih kristala zahteva prethodno suočavanje sa nekoliko izazova: razvoj tehnike proizvodnje trodimenzionalnih komponenti koje emituju svetlost iz specifičnih tačaka, ugrađivanje mogućnosti emitovanja na talasnim dužinama koje koristi današnja telekomunikacijska oprema i organizovanje proizvodnog procesa odgovarajućeg za masovnu proizvodnju

U optičkim komunikacijskim sistemima podaci počinju kao električni pulsevi koji se ugrađuju ili kodiraju u laserski snop sa optičkim modulatorom za modifikaciju izlaza laserske diode prema obrascu jedinica i nula binarnog sistema koji treba da se prenese. Inače velika brzina prenosa podataka kod optičkih sistema može se još povećati propuštanjem snopova nekoliko lasera sa različitim talasnim dužinama kroz tzv. multiplekser, koji ih kombinuje u jedinstveni snop koji putuje optičkim vlaknom. Naravno, na kraju vlakna mora da postoji tzv. demultiplekser sistem, koji razdvaja snop u sastavne talasne dužine, da bi fotodioda izvršila prevođenje podataka sa svake talasne dužine u električni signal. Po završetku procesa obrade podataka, signali se ponovo prevode u optički oblik da bi nastavili svoj put. Trenutno je ovaj proces duplog prevođenja podataka veoma skup, jer se svaki element – laser, multiplekser, demultiplekser i fotodioda – postavlja zasebno. Zasebni elementi su skupi, jer svaki zahteva precizno usklađivanje optičkog vlakna i elementa za obradu. Tako, na primer, laserska dioda košta između 10 i 50 američkih dolara, međutim spakovani element za povezivanje u sistem može da košta i više od 1000 dolara. Ako se uzme da je potrebno više od 50 optičkih elemenata, cena pretvaranja brzo se penje nebu pod oblake. Iz tog razloga komunikacijske kompanije izbegavaju proces pretvaranja i probleme rešavaju kad god je to moguće jednostavnim pojačavanjem optičkog signala, što ima brojne negativne posledice. Pojačavanje je potrebno obaviti za svakih 80 kilometara puta da bi se izbeglo prirodno slabljenje koje se javlja u vlaknu i da bi se jačina signala vratila na nivo koji se može detektovati. Ovo zahteva mnogo finog podešavanja. Na ovaj način se ne može odstraniti šum ili izvršiti priključivanje korisnika negde duže puta signala.

Fotonski čipovi se mogu napraviti od istih poluprovodničkih materijala kao standardni računarski čipovi i uz upotrebu uobičajenih tehnika za pravljenje čipova kao što je fotolitografija

Uspeh kompanije Inefinera sastoji se u integrisanju svih elemenata potrebnih za optičku obradu na samo dva fotonska integralna kola. Sistem funkcioniše na sledeći način: Svetlo iz optičkog vlakna stiže do prijemnog čipa sa standardnom brzinom prenosa podataka od 10 gigabita u sekundi za svaku od 10 talasnih dužina. Svaka talasna dužina putuje do fotodiode koja prevodi podatke iz optičkih pulseva u električne. Sa prijemnog čipa električni digitalni podaci putuju do običnog CMOS električnog kola za obradu. Po završetku obrade, električni podaci upućuju se na odašiljački čip, gde se vrši ponovno prevođenje, ali ovaj put električnih u optičke podatke. Na odašiljačkom čipu nalazi se 10 laserskih dioda sa različitim talasnim dužinama i 10 laserskih modulatora. Svaki modulator kodira električne podatke iz toka podataka u jedan od laserskih snopova, prevodeći električni signal u optički. Multiplekser kombinuje 10 optičkih signala u jedan snop koji se šalje niz optičko vlakno. Samo dva usklađivanja čip – optičko vlakno su potrebna za svaki fotonski deo. Na ovaj način, zbog malog broja spojeva, gubici u jačini signala su izuzetno mali.

Kompanija proizvodi fotonska integralna kola od indijum fosfida u fabrici podignutoj samo za tu svrhu. Integralna kola se međutim ne prodaju zasebno, već samo kao kompletan sistem fotonskih čipova i CMOS kola neophodan za razne digitalne funkcije. Kompanijin prvi proizvod je Infinera DTN sistem za digitalno optičko umrežavanje, koji podržava i Sonet i Eternet transport, koji zajedno danas pokrivaju gotovo sav mrežni saobraćaj. Sistem DTN se trenutno nalazi u fazi ispitivanja. Ukoliko sve prođe kako treba, Infinerina tehnologija mogla bi da promeni način na koji komunikacijske mreže prenose i manipulišu podacima.

Oliver Terzić

---