Veijo Hänninen

Fotoniikkaa mikropiiriin

Jos mikropiirien sisäinen tiedonsiirto toimisi fotonisesti, saavutettaisiin merkittävää siirtokapasiteetin kasvua mutta myös energiansäästöä. Jopa 80 prosenttia mikroprosessorin kuluttamasta tehosta kuluu datan siirtämisen metallijohteissa.

Suurin etu käyttää fotoneja tiedonsiirtoon ja käsittelyyn on, että niillä ei ole keskinäisvaikutuksia, kuten varauksenkuljettajilla. Siten fotonit soveltuvat tiedonsiirtoon paremmin kuin elektronit.

Ongelmana on ollut, että ratkaisut ovat tähän asti edellyttäneet kalliita erikoistekniikoita.

Metamateriaali avuksi

Fotoniset laitteet ovat paljon nopeampia kuin sähköiset, mutta tähän mennessä valoa keskittäviä rakenteita ei ole voitu miniatyrisoida niin pieniksi kuin elektronisia piirejä.

Voidakseen kilpailla nykyisten elektronisten laitteiden kanssa, optisten järjestelmien pitäisi toimia mitoilla, jotka ovat paljon pienempiä kuin aallonpituudet. Se taas ei onnistu perinteisen optiikan linssien ja peilien avulla.

Tässä tulevat avuksi näkymättömyysviitoista tutut metamateriaalit.

Lokakuussa 2014 Sandia National Laboratoriesin tutkijat esittelivät infrapunavaloa heijastavan peilin. Se tapahtuu ei-metallisen metamateriaalin epätavallisen magneettisen ominaisuuden avulla.

Magneettisella peilillä tutkijat saattoivat kaapata ja valjastaa sähkömagneettista säteilyä tavalla, jolla on potentiaalia uudentyyppisissä kemiallisissa antureissa, aurinkokennoissa, lasereissa ja muissa optisissa laitteissa.

Perinteinen peili heijastaa IR-valoa vuorovaikuttamalla sen sähköisen komponentin kanssa. Ne eivät ainoastaan käännä kuvaa vaan myös kääntävät valon sähköisen kentän. Uusi magneettinen peili heijastaa IR-valoa vuorovaikuttamalla niiden magneettisen kentän kanssa, säilyttäen niiden alkuperäiset ominaisuudet.

Optisilla taajuuksilla, magneettiset ominaisuudet vaativat vahvaa vuorovaikutusta joka on saavutettavissa vain käyttämällä keinotekoisesti räätälöityjä materiaaleja.

Magneettinen peili tuottaa erittäin vahvan sähköisen kentän peilin pinnalle, mahdollistaen maksimin sähkömagneettisen aallon energian absorboitumisen.

Yleensä metamateriaalit ovat kuitenkin varsin staattisia ja niiden viritettävyys olisikin tärkeä askel kohti rakentaa optisesti aktiivisia laitteita.

Australian National University (ANU) tutkijat ovat saavuttaneet tällä saralla menestystä kehittämällä lähes atomitasolta lähtien epäsymmetrisen metamateriaalin, joka saatiin pyörittämään polarisaatiota.

Samaan tavoitteeseen pyrkineet Tel Avivin yliopiston (TAU) tutkijat yhdistivät metamateriaaleja ja epälineaarisia fotonikiteitä, joilla myös voisi ohjailla valoa mikrosiruissa uudella tavalla.

Plasmonisia modulaattoreita

Plasmoniset ilmiöt ovat fotonisiin nanoratkaisuihin pyrkivien tiedemiesten laajan mielenkiinnon kohteena, koska myös näin päästään valon aallonpituutta pienempiin mittoihin.

Erilaisten plasmonisien nanorakenteiden tutkimuksen perimmäisenä tavoitteena on luoda fyysisiä perusteita suunnitella ja valmistaa optisia elementtejä, jotka voivat hallita fotonisäteilyn intensiteettiä, polarisaatiota, vaihetta ja suuntaavuutta.

Vuonna 2014 Karlsruhe Institute of Technologyn tutkijat kertoivat kehittäneensä 29 mikrometriä pitkän fotonirakenteen, joka voidaan valmistaa vakiintuneilla CMOS-tekniikoilla.

Kehitetty sähkö-optinen muunnin koostuu kahdesta kultaelektrodista, joita erottaa toisistaan noin kymmenesosa mikrometrin levyinen rako. Rako on täytetty polymeerillä, jonka taitekerroin muuttuu jännitteen avulla.

Piiaaltoputkesta tuleva jatkuva infrapunavalo virittää rakoon pintaplasmoneja, joiden vaihetta voidaan moduloida digitaalisella datalla ohjatulla jännitteellä. Lopuksi moduloidut pintaplasmonit siirtyvät aaltoputkeen moduloidun valonsäteen muodossa. Laitteen modulointinopeus on 40 gigabittiä sekunnissa.

Sähkö ja valo samaan lankaan

Plasmonisen ilmiön haittapuoli on, että edetessään se vaimenee erittäin nopeasti.

University of Rochesterin ja Sveitsin liittovaltion Institute of Technology Zürichin tutkijat kehittivät vuonna 2014 piirirakenteen, joka koostuu hopeisesta nanolangasta ja yksikerroksisesta hiutaleesta molybeenidisulfidia (MoS2).

Kun laserilla viritetään sähkömagneettisia plasmoneja langan pinnalle, huomattiin, että langan päässä oleva MoS2-hiutale generoi vahvan valoemission. Kun virittyneet elektronit sitten purkautuvat, ne kerääntyvät takaisin lankaan ja muuntuvat uudelleen takaisin päin kulkeviksi plasmoneiksi, joka emittoivat valoa samalla aallonpituudella.

Tutkijoiden mukaan kyseessä on ilmeinen nanomittakaavan valon ja aineen vuorovaikutus plasmonien ja atomisen ohuen materiaalin välillä. Tyypillisesti plasmonit vaimenevat nopeasti ja tutkijoita yllättikin se, että prosessissa oli tarpeeksi energiaa vielä käännöksen jälkeen.

Vuotta myöhemmin Rochesterin yliopiston tutkijat saivat selville, että uudelleen emittoitunut valo lähes vastasi MoS2:n kaistaeroa, mikä osoitti, että plasmonit herättävät elektronit MoS2:ssa uuteen energiatilaan. Tästä syntyi luonnollisesti idea tutkia, jos tämän tyyppistä rakennetta voisi käyttää valoilmaisimena.

Ilmeni, että elektronitiheyden värähtelyt saavuttaessaan molybdeenidisulfidilla peitetyn pään viritti elektroneita eli tuotti tehokkaasti sähkövirtaa.

Maaginen pallo tiedonsiirtoon

Plasmonisesta ilmiöstä on myös löytynyt omat erityispiirteensä.

Erityisesti plasmonisia resonanssi-ilmiöitä voitaisiin periaatteessa käyttää erilaisissa sovelluksissa. Kuitenkin valon taajuuksilla plasmonivärähtelyjen virrat vaimenevat hyvissäkin johteissa vahvasti mikä pilaa ilmiön hyödyllisiä vaikutuksia.

Tutkijat ovatkin kiinnittäneet huomionsa dielektrisiin materiaaleihin, joilla on korkea taitekerroin. Näissä materiaaleissa ei ole vapaita elektroneja, joten valon vaikutus ei indusoi virtaa.

Kuitenkin sähkömagneettinen aalto vaikuttaa atomien elektroneihin ja siirtää niitä tasapainoasemastaan. Tämän seurauksena, atomit saavat indusoituneen sähköisen momentin eli polarisaation. Mitä suurempi polarisaatioaste on, sitä suurempi taitekerroin materiaalilla on.

Kun korkean taitekertoimen materiaalista valmistettu pallo on vuorovaikutuksessa valon kanssa, tuotos muistuttaa plasmoniresonanssia metallien kanssa, yhdellä (mutta erittäin tärkeällä) poikkeuksella: laajalla joukolla dielektrisiä materiaaleja on heikko vaimennus optisilla taajuuksilla.

Siten Lomonosov Moscow State Universityn professori Michael Tribelsky on osoittanut sekä teoreettisesti että kokeellisesti, että pieni homogeeninen dielektrinen kooltaan alle aallonpituinen pallo, jolla on korkea taitekerroin ja vähäiset häviöt (kuten jotkut puolijohteet näkyvällä tai lähi-infrapunan alueella) osoittavat ominaisuuksia, jotka mahdollistavat käyttää sitä uutena monikäyttöisenä elementtinä optisille laitteille.

Vaikutukset avaavat uuden tavan hallita sironneen valon suuntaherkkyyttä. Suuntaus voidaan aikaansaada käytännöllisellä tavalla vain tulevan aallon taajuuden muutoksella, ja/tai hyvin valitulla halkaisijalla.

Taustalla on tietysti kvanttifysiikka. Kvanttifysiikan kielellä plasmoniherätteen ilmiö tarkoittaa, että valon kvantti eli fotoni muunnetaan plasmonien kvantti värähtelyiksi. Jo 80-luvulla professori Michael Tribelsky sai ajatuksen: jos kaikki prosessit kvanttimekaniikassa ovat palautuvia, käänteinen prosessi plasmonista fotoniin muuntaminen olisi myös oltava. Eli uudentyyppistä valonsirontaa olisi olemassa. Ja näin todella tapahtui.

Viime vuonna yhdessä ranskalaisten ja espanjalaisten kollegoidensa kanssa professori Tribelsky tutki aihetta käytännössä. Halkaisijaltaan noin kaksi senttimetrisen keraamisen dielektrisen pallon ja mikroaaltosäteilyn avulla saatiin todistettua ja simuloitua kaikki prosessit, joita aiheessa tapahtuu nanomittakaavassa ja näkyvällä valolla.

Fotoniikkaa CMOS-piireille

Vuoden 2014 helmikuussa University of Colorado Boulderin, Massachusetts Institute of Technologyn ja University of California Berkeleyn tutkijat kertoivat alan OFC-konferensissa CMOS-prosessiin integroidusta piifotoniikasta.

Useiden yliopistotutkijoiden yhteisvoimin kehittämät fotoninen modulaattori ja viritettävä suodin oli toteutettu IBM:n 45 nanometrin CMOS-prosessilla. Konferenssin viestinä tämä tarkoitti, että sirusuunnittelijoiden ei tarvitse olla fotonisten laitteiden erikoisosaajia mikä toivottavasti nopeuttaa fotonisen tekniikan kaupallistamista.

Vuoden 2015 lopulla Kalifornian Berkleyn yliopiston insinöörit kertoivat onnistuneensa yhdistämään elektronien ja fotonien toimintoja yksittäisen prosessorisirun sisällä.

Tutkijat pakkasivat kaksi RISC-prosessoriydintä, joissa yli 70 miljoonaa transistoria sekä 850 fotoniikkakomponenttia 3 x 6 millimetrin sirukomponenttiin.

Saavutuksen suurin merkitys on, että he valmistuttivat mikroprosessorinsa normaalissa alan tehtaassa, todistaen näin, että toteutus voidaan helposti ja nopeasti skaalata kaupalliseen tuotantoon.

Käytännössä tässä sirussa vain tulot ja lähdöt (I/O) ovat fotonisesti toimivia. Sirun fotoninen I/O käyttää vain 1,3 pikojoulea per bitti, mikä vastaa 1,3 watin tehonkulutusta lähettämään terabitin verran dataa sekunnissa.

Kokeissaan tutkijat osoittivat, että sirun kaistanleveys neliömillimetriä kohden oli noin 10 - 50 kertaa suurempi kuin nykymarkkinoiden mikroprosessoreilla.

Jotta valo liikkuisi fotonisirulla pienellä hävikillä, tutkijat hyödynsivät muun muassa transistorin piirungon rakennetta valon aaltoputkena. Piiaaltojohdon viereen luotiin pn-seostettuja rakenteita mahdollistamaan nopea ja vähän energiaa kuluttava valon modulaatio.

Germaniumin kykyä absorboida valoa ja muuntaa se sähköksi hyödynnettiin pii-germanium transistorin osissa tuottamaan valoilmaisin. Poly-piin ja piin kerroksia hyödynnettiin hilakytkennässä, joka ohjaa valoa sirun aaltoputkiin niistä pois.

Fotonit kurveissa

Erilaisten fotonisten rakenteiden tutkimus on tuottanut monenlaisia tuloksia.

Optisten aaltoputkien ohella säteen taivuttajat ja jakajat ovat yksinkertaisimpia optisen ”elektronisia” peruspiirejä.

University of Texas El Pason (UTEP) ja University of Central Floridan (UCF) tutkijat ovat kehitelleet muovisen hilarakenteen, joka ohjaa valonsäteen kulman ympäri energiaa menettämättä. Rakenne saatiin aikaan suoralla laserpiirrolla.

Japanilaisen National Institute for Materials Science (NIMS) tutkijat ovat löytäneet fotonikiteen, jonka pinnalla sähkömagneettiset aallot kuten valo etenevät ilman sirontaa.

Vain hieman säätämällä eriste- tai puolijohdesylintereiden (nanorods) paikkaa materiaalin hilassa, sähkömagneettiset aallot voivat edetä ilman sirontaa jopa kulmissa tai kidevioissa.

Koska tämä ominaisuus voidaan saavuttaa jopa pelkällä piillä, joten se tarjoaa mahdollisuuksia optiikan ja vakiintuneen puolijohde-elektroniikan integroinnille.

Pieniä säteenjakajia

Utahin yliopiston insinöörit ovat kehittäneet ultrakompaktin säteenjakajan jakamaan valoaaltoja kahteen informaatiokanavaan.

He loivat polarisaation perustuvan säteenjakajan piisirun pinnalle. Tätä ennen säteenjakaja oli tyypillisesti yli 100 x 100 mikronin kokoinen mutta nyt se kutistui 2,4 x 2,4 mikroniin eli lähelle rajaa, mikä on fyysisesti mahdollista.

Jakajien siirron hyötysuhde on yli 70 prosenttia ja liittymäsuhde yli 10 desibeliä 32 nanometrin kaistanleveydellä. Rakenne voidaan toteuttaa nykyisillä valmistustekniikoilla.

Myös Stanfordin tutkijoiden kehittämä säteenjakaja muistuttaa abstraktia taidetta. Tutkijoiden kehittämällä algoritmilla määritellyt leikkauskuviot ohjaavat valon kahta eri taajuutta omiin uomiinsa

Nämä kehitystyöt perustuvat siihen, että infrapuna valo läpäisee helposti piitä kuin valo ikkunalasia. Ja aivan kuten prisma taivuttaa näkyvää valoa paljastaen sateenkaaren, erilaiset piirakenteet voivat taivuttaa infrapunavaloa tarkoituksenmukaisilla tavoilla.

Liitosrajapintoja optoroniikkaan

Luonnollisesti optiset aktiiviset piiritekniikat ovat erityisen tavoiteltuja.

Surreyn yliopiston yhteistyössä Cambridgen ja Southamptonin yliopistojen kanssa tekemät tutkimukset osoittivat vuonna 2014, kuinka voidaan muuttaa amorfisten kalkogenidelasien elektronisia ominaisuuksia.

Kalkogenidelasit ovat p-tyypin puolijohteita mutta niihin on ollut vaikea saada n-tyypin johtavuutta. Puolijohteiden pn-liitokset ovat monien elektronisien sovelluksien perusedellytys.

Jos voisi muodostaa fotonisia pn-liitoksia, voitaisiin parantaa vaihemuutosmuistien ja termosähköisen laitteiden suorituskykyä sekä mahdollistaa epälineaaristen optisten rakenteiden suora sähköinen hallinta eli optiset piiriratkaisut.

Tutkijaryhmä onnistui toteutuksessa ioniseostuksella, joka on myös nykyaikaisen mikropiirivalmistuksen perustekniikkaa.

Surreyn tutkijat odottavat, että tutkimuksen tuloksia voidaan integroida tietokonepiireihin kymmenen vuoden kuluessa.

Mikrokokoisia optisia kytkimiä

Rutgers Universityn ja National Institute of Standards and Technologyn (NIST) tutkijoista koostuneen ryhmän kehittämä tekniikka voi puolestaan tuottaa optisia kytkimiä alle mikroneliömetrin alalle.

Nykyisien jo vakiintuneiden optisien kytkentäteknologioiden aktiiviset elementit vaativat jopa satojen mikronien ulottuvuuksia.

Tutkijat osoittivat, että optinen signaali voidaan moduloida 200 nanometrin korkuiseen aaltoputkeen. Signaalin vaihetta moduloidaan sen kulkiessa kahden kultakerroksen välissä olevassa ilmaraossa ja ylemmän kultakerroksen muotoa muutetaan sähköisesti.

Maailman nopein fotoniikan kytkin

Kompaktin fotonikytkimen kehittäminen on haastava tehtävä mutta tutkijat Lomonosov Moscow State Universitystä ja Australian National Universitystä ovat luoneet ultranopean täysin optisen kytkinrakenteen piin nanorakenteista.

Kolme vuotta sitten useat tutkijaryhmät löysivät kiinnostavan ilmiön: selvisi, että piin nanohiukkaset tuottavat vahvan resonanssin näkyvän valon spektrissä - ns magneettisen dipolin resonanssin.

Tämä vaikutus osoittautui mielenkiintoiseksi, mutta Maxim Shcherbakovin mukaan kukaan ei tullut ajatelleeksi, että tämä löytö voisi luoda perustan kehittää kompakti ja erittäin nopea fotoniikan kytkin.

Tutkijoiden luoman täysoptisen kytkimen toiminta perustuu kahden femtosekuntisen pulssin vuorovaikutukseen. Jos pulssit saapuvat samanaikaisesti, ne vuorovaikuttavat toistensa kanssa ja vaimenevat kahden fotonin absorbtiossa. Mutta jos kahden pulssin välillä on sadan femtosekunnin viive, vuorovaikutusta ei tapahdu, ja toinen pulssi menee nanorakenteiden läpi muuttumatta.

Tehokkaampaa fotoniikkaa

Harvardin (SEAS) tutkijat ovat suunnitelleet ensimmäisen on-chip metamateriaalin, jonka taitekerroin on nolla, mikä tarkoittaa, että valon vaihe voi kulkea äärettömän nopeasti.

Vaikka äärettömän suuri nopeus kuulostaa rikkovan suhteellisuusteoriaa, niin näin kuitenkaan ole. Valolla on myös toinen nopeus eli vaihenopeus. Tämä nopeus kasvaa tai pienenee riippuen materiaalista jossa valo liikkuu. Ja kun taitekerroin pienenee nollaan, todella outoa ja mielenkiintoista alkaa tapahtua.

Nolla-indeksisessä materiaalissa, valon vaihe ei etene, eli valo ei enää käyttäydy kuin liikkuva aalto vaan kyseinen materiaali luo vakion vaiheen, jossa kaikki huiput ja pohjat ojentuvat äärettömän pitkiksi aallonpituuksiksi. Huiput ja pohjat värähtelevät enää vain ajan muuttujana, ei tilan.

Tämä yhtenäinen vaihe mahdollistaa valon venytyksen tai kutistuksen, kierron tai käännön, energiaa menettämättä. Siruille sopivalla nollaindeksi materiaalilla voisi olla jännittäviä sovelluksia, erityisesti kvanttilaskennan maailmassa.

Valon ohjausta kvantti-ilmiöillä

Optisissa kuiduissa etenevä valo tarjoaa erinomaista tiedonsiirron mahdollisuutta mutta valon suuntaa haluttaisiin joskus myös ohjata.

Wienin teknillisen yliopiston fyysikot onnistuivat noin vuosi sitten toteuttamaan vain tiettyyn suuntaan ohjattavan valon kytkemisen erittäin ohueen optiseen kuituun.

Hyödyntämällä valon kiraalisia ominaisuuksia (spin-rata vuorovaikutus), he osoittivat, että valojohteeseen liitettyyn kultahiukkaseen osuvan valon "kätisyys" tai polarisaatiotila määrää, mihin suuntaan valo lähtee kuidussa kulkemaan.

Kyseessä on optinen isolaattori, jotka nykyisin toimivat Faradayn-periaatteella, jollaista ei voida toteuttaa nanomitoissa.

Tämän vuoden lopulla TU Wienin tutkijat onnistuivat rakentamaan nanokokoisen optisen laitteen, jossa valo pääsee kulkemaan vain yhteen suuntaan. Se koostuu alkaliatomeista, jotka on kytketty ultraohueen lasikuituun.

Jos alkaliatomit valmistellaan oikeaan kvanttitilaan ja kytketään valoon ultraohuessa lasikuidussa, on mahdollista saada ne reagoimaan eri tavalla kahteen valon eri kiertoon.

Atomit eivät vaikuta eteenpäin menevään valoon mutta vastasuuntainen valo kytkeytyy alkaliatomeihin ja siroaa ulos lasikuidusta.

Aiheesta innostuneena tutkijat kehittivät siitä myös hienovaraisemman prosessin. Siinä atomi valmistellaan kahden tilan kvanttisuperpositioon, niin että se sekä estää että antaa valon kulkea samaan aikaan.

Klassisen fysiikan mukaan, tämä olisi mahdotonta, mutta kvanttifysiikka sallii tällaiset yhdistelmät. Tämä avaisi ovia uusille, jännittäviä mahdollisuuksia kvantti-informaation optiselle käsittelylle uumoilevat tutkijat.

Tammikuu 2016