Křemíkový laser od Intelu



Intelu se povedlo vyvinout něco, co označuje jako „nepřerušovaný křemíkový laser“ (Continuous Silicon Laser). Nutno ovšem podotknout, že to není přímo laser, ale de-facto „pouze“ křemíkový zesilovač laserového paprsku. K čemu je to dobré, jak toho Intel docílil, proč to vlastně takto funguje? To vše se vám pokusí osvětlit tento článek.


Začneme faktem, že laserové technologie jsou drahé. To je dáno tím, že opravdu kvalitní lasery, které se dají použít například pro datovou komunikaci, nebo v lékařství, využívají exotické materiály a i jejich výroba je velice náročná a tudíž i nákladná. Vše by se podstatně zjednodušilo, kdyby se povedlo tvořit laser například pomocí levného křemíku, jehož zpracování a použití je dnes perfektně zvládnuto. Jenže o křemíku se ví, že laserové světlo emitovat nedokáže, ale na druhou stranu zvládá manipulaci s již emitovaným světlem, případně laserovým paprskem. Než si však řekneme, co všechno umí Intel donutit křemík se světlem udělat, potřebujeme si říci něco o tom, jak vzniká laser a jeho vlastnosti.

Asi většina lidí neví, že slovo „laser“ je vlastně akronym pro „Light Amplification through Stimulated Emission of Radiation“. Laser je tvořen pomocí změny stavu elektronů, kdy zároveň se změnou stavu dochází k emitaci fotonu. Toto generování fotonů může být stimulováno v mnoha materiálech, nicméně v křemíku máme smůlu, v něm to nejde. V něm však lze použít jiného efektu, který se nazývá Ramanův a pomocí něj lze v křemíku (a například také v optickém vlákně) zesílit laserový signál.

Ramanův efekt je dnes běžně používán k zesilování signálu v optických vláknech. Do optického vlákna (na obrázku optical fiber) se mimo slabého datového paprsku o delší vlnové délce (weak data beam) pustí i zesilovací paprsek s kratší vlnovou délkou (pump beam). Fotony z tohoto zesilovacího paprsku naráží do vibrujících atomů v materiálu, čímž tyto fotony zanikají a vzniká energie, která se následně přemění na fotony, ovšem s delší vlnovou délkou. Právě tomuto se říká Ramanův efekt.

Původně slabý datový paprsek s delší vlnovou délkou tak získává další a další fotony, takže po několika kilometrech získá tolik energie, že je signál výrazně zesílen. Požadovaná délka vlákna lze dramaticky zkrátit tím způsobem, že na koncích vlánka odrážíme světlo zpět. Samozřejmě na jedné straně je nutné paprsek částečně propustit pomocí částečně propustného zrcadla, ze kterého pak již proudí silný koherentní laserový paprsek.

Velice zajímavý je ovšem fakt, že Ramanův efekt je v křemíku více než 10 000krát silnější, než v optickém vlákně, takže tam, kde optické vlánko potřebuje řádově kilometry k zesílení signálu, v případě křemíku stačí pouze centimetry. A když ještě na koncích křemíkového vlnovodu docílíme stejného efektu, jako při přidání zrcadel k optickému vláknu, potřebnou vzdálenost ještě dále dramatický zkrátíme. Pomocí Ramanova efektu a zesilovacího signálu by tak mělo být možné využívat křemík k zesilování laserového signálu, nebo k vytváření kvalitního laserového paprsku.

Bohužel však při vytváření takovéhoto „zesilovače“ pro laserový paprsek souvisí s křemíkem i jisté problémy. Za standardní situace je křemík pro světlo zcela transparentní, protože energie jednoho fotonu nestačí k excitaci elektronu. Výjimečně se však stane, že k jednomu atomu křemíku současně doputují dva fotony a jejich společná energie již k excitaci elektronu stačí. Běžně je to výjimečná událost, ale při zvyšování energie v zesilovacím paprsku výrazně narůstá i počet těchto „náhod“.

Takto uvolněné elektrony se znovu naváží na krystalovou mřížku a dále nepůsobí žádné problémy, jenže jakmile je zesilovací paprsek o dostatečné intenzitě, tak se již volné elektrony nestačí vázat. Tyto volné elektrony následně absorbují světlo procházející vlnovodem a tak snižují Ramanův efekt, případně ho zcela ruší.

A nyní se konečně dostáváme k tomu, s čím vlastně nyní vědci Intelu přišli. Je napadlo, jak je možné vlnovod zbavit přebytečných volných elektronů. Okolo tohoto křemíkového vlnovodu Intel vytvořil dva druhy křemíku, které jsou z jedné strany obohazeny o elektrony (označovány jako N-type, tedy negativního typu) a z druhé ochuzeny o valenční elektrony (označovány jako P-type, tedy pozitivního typu). Celá tato konstrukce je označována jako PIN zařízení (Positive Intrinsic Negative). Při zavedení napětí začne toto zařízení fungovat vlastně jako „vysavač“, který zbaví křemíkový vlnovod problémových elektronů.

Díky tomu může Ramanův efekt fungovat i se silnějším laserovým paprskem. Aby však Intel vytvořil laser, umístil na konce PIN vlnovodu zrcadla. Po zavedení napětí a zesilovacího paprsku tak v tomto zařízení vzniká laserový paprsek o různé vlnové délce, která je závislá na vzdálenosti zrcadel od sebe.

A k čemu všemu se to může hodit? Jak jsem již popisoval dříve, je možné díky tomuto objevu předpokládat, že bude možné použít křemík jako zesilovač pro laserové paprsky. Bude tedy možné jednoduše kompenzovat ztráty, které způsobuje každé optické zařízení (například modulátor), křemíkový zesilovač bude možné integrovat přímo k takovému modulátoru. Bude sice nutné ještě ke křemíku připevnit zdroj zesilovacího paprsku, ale to by dle vyjádření Intelu neměl být žádný velký problém, navíc takovýto zdroj nemusí být nikterak kvalitní a tudíž může být levný.

Dalším možné nasazení je znázorněno na obrázku:

Jeden zesilovací paprsek přivedeme do několika PIN zařízení, kde se z něj vytvoří několik laserů o různé vlnové délce (tedy vlastně zabarvení). Na tyto paprsky se namodulují data a namodulované paprsky se sloučí do jednoho optického vlnovodu, na který bude navazovat optické vlákno. Jinak řečeno, právě jsme popsali metodu, jak do optického vlákna dostat data a to za použití velmi levných komponent. Je tu tedy vyhlídka do budoucnosti, že optické karty do počítačů a obecně v telekomunikacích by díky tomuto objevu mohly výrazně zlevnit, až by se nakonec mohly stát zcela běžnou součástí našeho života, podobně jako jsou dnes běžné metalické kabely a gigabitové síťovky


školní rok : 2004 -2005
Tato stránka je testovací a vznikla pro účely výuky Programování webu v Dreamweaveru MX 2004