Fotoniczne układy scalone od lat obiecują znacznie szybsze przetwarzanie danych, bo zamiast elektronów wykorzystują światło. Problem jednak polega na pewnej ułomności współczesnych chipów. Naukowcy właście zaprezentowali układ, który może być prawdziwym gamechangerem we współczesnej elektronice.
Fotoniczne układy scalone świetnie radzą sobie z prowadzeniem światła wewnątrz. Tam promień biegnie przez falowody, czyli odpowiedniki przewodów dla optyki, i może służyć do komunikacji, przetwarzania sygnałów albo sterowania zjawiskami kwantowymi. Kłopot zaczyna się wtedy, gdy trzeba takie światło wyrzucić poza chip i jeszcze precyzyjnie skierować tam, gdzie ma trafić.
To właśnie to przejście od dawna było wąskim gardłem. Naukowcy z MIT piszą wprost, iż dotychczasowe technologie skanowania wiązek cierpiały na podstawowy kompromis: albo dało się je dobrze skalować, ale jakość wiązki była słabsza, albo wiązka była bardzo dobra, ale integracja z chipem i skala pozostawały ograniczone.
Jeśli nie umiemy sprawnie przejść z fotoniki zintegrowanej do wolnej przestrzeni, trudniej budować ultrakompaktowe lidary, wyświetlacze nowej generacji, systemy precyzyjnego druku 3D czy skalowalne architektury obliczeń kwantowych. Innymi słowy, sam procesor fotoniczny nie wystarczy, jeżeli nie potrafi sensownie porozumieć się z otoczeniem.
MIT postawił na mikroskopijne skocznie dla światła
Badacze zbudowali mikroskopijne struktury, które zakrzywiają się ku górze jak miniaturowe skocznie narciarskie. To właśnie od tego wzięła się ich potoczna nazwa: photonic ski jumps. Światło doprowadzane falowodem do takiej struktury nie zostaje już na płaskiej powierzchni układu, tylko jest wyrzucane do góry i może być dalej skanowane w wolnej przestrzeni.
Przełom polega nie tyle na pojedynczej skoczni, ile na tym, iż takich struktur można zrobić bardzo dużo i sterować nimi równocześnie. Zespół podkreśla, iż potrafi kontrolować emisję światła z tysięcy takich elementów naraz. W przyszłych zastosowaniach nie chodzi o jeden efektowny promień, ale o całe pole wiązek, które można gwałtownie przełączać, przesuwać i formować w użyteczne wzory.
Innowacja kryje się w materiałach i naprężeniach
Najciekawsze jest to, iż takie skocznie nie są elementami dokładanymi później do układu, ale wyrastają wprost z procesu technologicznego. Badacze połączyli dwa materiały, które inaczej reagują na zmianę temperatury: azotek krzemu i azotek glinu. Podczas stygnięcia po wysokotemperaturowej produkcji w warstwach pojawia się różnica naprężeń, która powoduje samoczynne wygięcie struktury ku górze. MIT porównuje to do działania starego termostatu z bimetaliczną sprężyną, która wygina się pod wpływem temperatury.
To właśnie taka kombinacja materiałów i naprężeń była sednem zaproponowanej przez MIT innowacji produkcyjnej. Dzięki niej udało się zintegrować z chipem strukturę, która pasywnie odgina się mniej więcej o 90 stopni poza płaszczyznę układu, zajmując przy tym bardzo małą powierzchnię. W pracy naukowej opublikowanej na łamach Nature podano, iż taki pojedynczy element mieści się w obszarze mniejszym niż 0,1 mm² i emituje wiązkę submikrometrową, ograniczoną dyfrakcją, czyli bliską fizycznemu limitowi jakości obrazu dla tak małego układu.
Światło da się nie tylko wypchnąć, ale też bardzo gwałtownie przesuwać
Samo wypuszczenie światła z chipa byłoby oczywiście bardzo ciekawe, ale jeszcze nie przełomowe. Najważniejsze jest to, iż badacze pokazali również szybkie, dwuwymiarowe skanowanie wiązki. W pracy opisano, iż urządzenie może pracować z rezonansami mechanicznymi rzędu kilkudziesięciu kHz, a przy sterowaniu napięciami na poziomie zgodnym z technologią CMOS osiąga wydajność 68,6 mln punktów na sekundę na milimetr kwadratowy. To ponad 50 razy lepszy wynik, niż w przypadku najlepszych współczesnych mikroluster MEMS, jeżeli porównywać wydajność do zajmowanej powierzchni.
Taka gęstość i szybkość pozwalają myśleć bardzo poważnie o bardzo kompaktowych układach obrazujących. Autorzy wskazują, iż ich rozwiązanie wystarczyłoby do uzyskania wyświetlacza rzędu 1 Mpix przy 100 Hz z obszaru o średnicy około 1,5 mm. MIT w materiałach prasowych podaje też bardziej obrazowe porównanie: w obszarze, w którym na ekranie telefona zmieściłyby się 2 piksele, ta platforma mogłaby upakować ich około 30 tys.
Pokazali już obrazy i sterowanie kubitami
Żeby nie skończyło się na obietnicach, zespół zademonstrował już bardzo konkretne zastosowania. Ich układ potrafił wyświetlać szczegółowe obrazy w pełnym kolorze o rozmiarze mniej więcej połowy ziarna soli. Ma to bardzo duże znaczenie dla przyszłych lekkich wyświetlaczy, np. okularów rozszerzonej rzeczywistości, gdzie każdy milimetr i każdy gram są na wagę złota.
Badacze pokazali również, iż te skocznie mogą służyć do precyzyjnej kontroli kubitów w systemach kwantowych opartych na defektach w diamencie. To akurat był jeden z głównych powodów, dla których projekt w ogóle powstał.
Zespół w ramach Quantum Moonshot Program szukał metody sterowania ogromną liczbą diamentowych kubitów dzięki laserów. Nie da się bowiem wygodnie kontrolować milionów osobnych wiązek tradycyjną optyką stołową. Trzeba było zbudować coś, co potrafi wystrzeliwać i kierować laserowe impulsy z poziomu samego chipa.
To może przyspieszyć nie tylko komputery kwantowe
Choć w tle badań są oczywiście kubity, lista potencjalnych zastosowań jest o wiele dłuższa. MIT wskazuje m.in. na zaawansowane wyświetlacze, kompaktowe lidary dla małych robotów, szybsze systemy druku 3D utwardzające żywicę laserem oraz szerzej rozumiane interfejsy optyczne między układami scalonymi a światem zewnętrznym.
Autorzy pracy piszą także o możliwości stworzenia bezszwowego pipeline’u optycznego między zintegrowanymi procesorami fotonicznymi a wolną przestrzenią, co mogłoby otworzyć drogę do nowych klas urządzeń komunikacyjnych, pomiarowych i obliczeniowych.
Szczególnie interesująco wygląda to w kontekście tzw. lab-on-chip, czyli miniaturowych systemów mieszczących całe laboratoria na niewielkim układzie. jeżeli taki chip potrafi nie tylko obrabiać światło w środku, ale też dynamicznie wysyłać je poza swoją powierzchnię, dostaje zupełnie nowe możliwości: od precyzyjnej manipulacji mikroskopijnymi obiektami po kompaktowe systemy pomiarowe, które dotąd wymagały dużej optyki zewnętrznej.
