Το φως, η παραγωγή και η επεξεργασία του, έχει μια σειρά από επαναστατικές εφαρμογές σε μια πληθώρα δραστηριοτήτων της καθημερινής ζωής, όπως είναι οι τηλεπικοινωνίες, η Ιατρική, η ανάλυση τροφίμων, η τηλεπισκόπιση και η βιομηχανία. Με την ευκαιρία της Διεθνούς Ημέρας Φωτός, στις 16 Μαΐου, ο καθηγητής του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου Ηρακλής Αβραμόπουλος, διευθυντής του Εργαστηρίου Έρευνας Φωτονικών Επικοινωνιών, της Σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών (ΣΗΜΜΥ), μιλά στο «Πρίσμα» και στη Λήδα Αρνέλλου για τις δυνατότητες και το μέλλον του πεδίου της Φωτονικής.
Με τι ασχολείται το πεδίο της Φωτονικής;
Η Φωτονική είναι η μελέτη της παραγωγής, του χειρισμού και της ανίχνευσης του φωτός. Το φως αποτελείται από φωτόνια, παρόμοια με το πώς το ηλεκτρικό ρεύμα αποτελείται από μεμονωμένα ηλεκτρόνια. Ωστόσο, τα φωτόνια έχουν το ξεχωριστό πλεονέκτημα ότι ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός και δεν καταναλώνουν καμία ισχύ κατά τη διάδοση. Για παράδειγμα, τα φωτόνια ταξιδεύουν συνήθως σε όλο το σύμπαν αποκλειστικά με την ενέργεια που απαιτείται για την παραγωγή τους. Τα φωτόνια είναι επίσης πολύ αποτελεσματικοί φορείς πληροφοριών. Πρόκειται για ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα (ακριβώς όπως ένα ραδιοκύμα) που κυμαίνεται σε πολύ υψηλές συχνότητες, της τάξης των 200 THz (200 × 1012 Hz) και συνεπώς μπορεί εύκολα να κωδικοποιήσει terabytes / δευτερόλεπτο πληροφορίας κατά πλάτος, φάση και/ή πόλωση.
Tι νέο φέρνει η ολοκληρωμένη Φωτονική;
Έχουν υπάρξει πολλές πλατφόρμες για τη φωτοβολία εδώ και δεκαετίες, όπως είναι οι οπτικές ίνες, όπου τα διακριτά εξαρτήματα (λέιζερ, το καλώδιο οπτικών ινών που διαδίδει το φως και οι ανιχνευτές) κατασκευάζονται ξεχωριστά και συναρμολογούνται σε ένα ενιαίο σύστημα μετάδοσης πληροφορίας. Στη δεκαετία του 1990 έγιναν τα πρώτα βήματα προς την ολοκληρωμένη Φωτονική με την ανάπτυξη επίπεδων κυκλωμάτων φωτός (Planar Lightwave Circuits - PLCs), με βάση το γυαλί ως υλικό, που υλοποιήθηκαν με τις στάνταρ τεχνικές επεξεργασίας ημιαγωγών περιλαμβανομένης της χρήσης φωτολιθογραφίας και λέιζερ. Τα PLC εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σήμερα και επιτρέπουν την οδήγηση και τη διαχείριση του φωτός κατά τρόπο ώστε αυτό να αλληλεπιδρά με τον εαυτό του, επιτρέποντας λειτουργίες διακοπτών και φίλτρων. Ωστόσο, η πλατφόρμα PLC απεικονίζει τις προκλήσεις της πραγματοποίησης πραγματικά ολοκληρωμένων φωτονικών κυκλωμάτων. Συγκεκριμένα, το μεγάλο μέγεθος των κυματοδηγών («φωτονικών καλωδίων») γυαλιού περιορίζει την ικανότητα κλιμάκωσης του αριθμού στοιχείων που μπορούν να προσαρτηθούν μαζί και κατά συνέπεια της πολυπλοκότητας του κυκλώματος (εξαιτίας του χαμηλού δείκτη διάθλασης του γυαλιού ως υλικού). Πιο σημαντική είναι η δυσκολία να ενσωματωθούν οι πηγές παραγωγής φωτός (τα λέιζερ) και οι ανιχνευτές (φωρατές) στο ίδιο τσιπ PLC εξαιτίας των ανόμοιων υλικών από τα οποία είναι κατασκευασμένα τα επιμέρους αυτά δομικά στοιχεία. Η ολοκληρωμένη Φωτονική είναι η διασταύρωση της Μικροηλεκτρονικής και της Φωτονικής. Η Μικροηλεκτρονική (δηλαδή ο σχεδιασμός και η κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευών, συστημάτων και υποσυστημάτων που χρησιμοποιούν εξαιρετικά μικρά εξαρτήματα) υπήρξε η κινητήρια δύναμη της τεχνολογίας και της παγκόσμιας οικονομίας για αρκετές δεκαετίες. Η επιτυχία της είναι ένα άμεσο αποτέλεσμα του ολοκληρωμένου κυκλώματος, όπου δισεκατομμύρια ηλεκτρικών εξαρτημάτων (τρανζίστορ, καλώδια, αντιστάσεις, πυκνωτές κ.λπ.) ενσωματώνονται άψογα σε δίσκους πυριτίου χρησιμοποιώντας αυστηρά ορισμένες διαδικασίες κατασκευής και που de facto έχουν ορίσει τον κανόνα κλιμάκωσης του Νόμου του Mουρ.
Αυτή τη στιγμή η τεχνολογία των φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων βρίσκεται σε ένα σημείο παρόμοιο με εκείνο όπου ήταν η Μικροηλεκτρονική στις αρχές της δεκαετίας του ’70 - όπου μόνο ένας σχετικά μικρός αριθμός επιμέρους εξαρτημάτων ολοκληρώνονταν σε μια ενιαία διάταξη. Ωστόσο, μέσω της αξιοποίησης του εξοπλισμού κατασκευής και περαιτέρω ανάπτυξης των τεχνικών που κατέστησαν τη Μικροηλεκτρονική επιτυχημένη, αρχίζει τώρα να είναι εφικτή η πραγματοποίηση των ίδιων οικονομιών κλίμακας για την κατασκευή ολοκληρωμένων φωτονικών κυκλωμάτων. Επιπλέον, δεδομένου ότι χρησιμοποιούνται παρόμοιες τεχνολογίες παραγωγής, η Φωτονική και η Ηλεκτρονική μπορούν να ενσωματωθούν (να ολοκληρωθούν ταυτόχρονα -είτε με έναν μονολιθικό ή με έναν υβριδικό τρόπο-, δηλαδή στο ίδιο τσιπ να υπάρχουν παράλληλα και το οπτικό και το ηλεκτρονικό μέρος της διάταξης) άμεσα μεταξύ τους. Η εξέλιξη αυτή θα έχει ως αποτέλεσμα να λειτουργήσουν καλύτερα τόσο τα ηλεκτρονικά όσο και τα φωτονικά στοιχεία των κυκλωμάτων - όχι μόνο μειώνοντας το μέγεθος, το βάρος και την ισχύ, αλλά επιτρέποντας την υλοποίηση νέων εφαρμογών, πολλές από τις οποίες μέχρι πρόσφατα βρίσκονταν εκτός του οράματος της τεχνολογικής εξέλιξης.
Ποιες δυνατότητες έχουν τα ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα και ποιες είναι οι μεγαλύτερες προκλήσεις στη δημιουργία τους;
Στις αρχές της δεκαετίας του 2000 προέκυψε η υπόσχεση του πυριτίου ως ολοκληρωμένης πλατφόρμας Φωτονικής. Είναι ιδανικό για την κατασκευή, αφού τα δισκία ολοκλήρωσης πυριτίου χρησιμοποιούνται επίσης για τη μεγάλη πλειονότητα των ολοκληρωμένων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Από νωρίς όμως δεν ήταν σαφές πόσο καλά θα λειτουργούσε το πυρίτιο για τη φωτονική τεχνολογία - αλλά έπειτα από πολλαπλές δοκιμές την τελευταία δεκαετία έχει αποδειχθεί ότι υπερέχει στον έλεγχο του φωτός. Συγκεκριμένα, το πυρίτιο είναι εξαιρετικό στην οδήγηση του φωτός μέσα στα «φωτονικά καλώδια», γνωστά ως κυματοδηγούς (οι οπτικές ίνες είναι άλλος τύπος κυματοδηγού). Αυτό οφείλεται στις φυσικές ιδιότητες του πυριτίου και ειδικότερα στον υψηλό δείκτη διάθλασης με τη βοήθεια του οποίου επιτυγχάνεται ο περιορισμός του διαδιδόμενου φωτός μέσα σε μια εξαιρετικά στενή διαδρομή - επιτυγχάνοντας ακόμη και στροφές της διαδιδόμενης δέσμης κατά 90 μοίρες σε πολύ μικρό χώρο.
Συνεπώς, είναι δυνατό να πραγματοποιηθούν πολύ σύνθετα ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα των οποίων η πυκνότητα αυξάνεται πλέον με ταχύ ρυθμό. Επιπλέον, το πυρίτιο είναι διαφανές στα ίδια μήκη κύματος που χρησιμοποιούνται για οπτικές ίνες, επιτρέποντας την άμεση διασύνδεση των φωτονικών τσιπ πυριτίου με οπτικές ίνες, που αποτελούν το βασικό εξάρτημα-κλειδί για πολλές εφαρμογές. Ωστόσο, προκειμένου το πυρίτιο να αποτελέσει την πλατφόρμα των ολοκληρωμένων φωτονικών κυκλωμάτων του μέλλοντος, απαιτείται να διαθέτει τη δυνατότητα παραγωγής, ελέγχου και ανίχνευσης του φωτός.
Το ίδιο το πυρίτιο δεν μπορεί να παράγει φως επειδή είναι ένας ημιαγωγός, ο οποίος, λόγω της φύσης του, παράγει φωνόνια (θερμότητα) αντί για φωτόνια. Αντίθετα, πολλοί ημιαγωγοί τύπου III-V (ονομασία που προέρχεται από τις ομάδες του περιοδικού πίνακα), όπως οι GaAs και InP, είναι ημιαγωγοί οι οποίοι δύνανται να παράγουν φως και χρησιμοποιούνται ήδη για την κατασκευή πηγών λέιζερ. Σήμερα είναι δυνατό να ολοκληρωθούν με υβριδικό τρόπο λέιζερ ΙΙΙ-V απευθείας σε δισκίο πυριτίου που να περιλαμβάνει και το υπόλοιπο μέρος του οπτικού και ηλεκτρονικού κυκλώματος ώστε να αποτελούν πλέον οικονομικά αποδοτικό τρόπο κατασκευής τους. Ωστόσο, ανάλογα πάντα με το μήκος κύματος του φωτός που μας ενδιαφέρει, το πυρίτιο, τα υλικά ΙΙΙ-V και το γερμάνιο μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση του φωτός (φώραση). Κατάλληλη διεργασία μεταξύ γερμανίου σε πυρίτιο έδωσε τη δυνατότητα για τη δημιουργία του κράματος SiGe και από εκεί υπερταχέα τρανζίστορ χαμηλότερης ισχύος κατανάλωσης, που να είναι απόλυτα συμβατά σε χρηστικά και για ολοκλήρωση με οπτικά στοιχεία σε κοινή πλατφόρμα ολοκλήρωσης. Είναι ένα καλό παράδειγμα για το πώς είναι σήμερα δυνατό να κωδικοποιήσουμε πληροφορία στο φως με ενεργό τρόπο μέσω του συνδυασμού της φωτονικής και της μικροηλεκτρονικής τεχνολογίας, οδηγούμενοι με τον τρόπο αυτό στην έννοια της υβριδικής ολοκλήρωσης.
«Στη Φωτονική υπάρχουν διάφορες κατηγορίες τεχνικών και πλατφόρμες ολοκλήρωσης που παρουσιάζουν πλεονεκτήματα ως προς κάποιες διαστάσεις και μεινονεκτήματα ως προς άλλες. Δεν έχουμε ένα ή δύο στοιχεία και μία ή δύο συγκεκριμένες μεθοδολογίες που να λύνουν όλα τα προβλήματα, όπως στο πυρίτιο και το γερμάνιο που χρησιμοποιούνται στη Μικροηλεκτρονική. Καλούμαστε, λοιπόν, να συγκεράσουμε τεχνικές, γεγονός που συνιστά μια πρόκληση»
Τι θα φέρει η εφαρμογή ολοκληρωμένων φωτονικών κυκλωμάτων για τις ευρυζωνικές επικοινωνίες και τα κέντρα διαχείρισης δεδομένων;
Είναι πλέον σαφές ότι η Φωτονική πυριτίου θα είναι σε θέση να πραγματοποιήσει πολύ σύνθετα φωτονικά κυκλώματα. Μόλις τα τελευταία χρόνια ο αριθμός των διατάξεων που έχουν ενσωματωθεί σε ολοκληρωμένα κυκλώματα έχει αυξηθεί ραγδαία (πάνω από 10.000 ανά chip). H φυσική εφαρμογή αυτών των ολοκληρωμένων φωτονικών κυκλωμάτων είναι οι ευρυζωνικές επικοινωνίες και ιδιαίτερα τα κέντρα διακίνησης δεδομένων (data centers) τα οποία αναμένεται να καταναλώνουν σημαντικό ποσοστό από το σύνολο της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας για την απλή και μόνο διακίνηση των δεδομένων (εξαιρουμένης της επεξεργασίας τους). Συνεπώς, η ολοκλήρωση όλων των προηγουμένως χρησιμοποιούμενων διακριτών εξαρτημάτων σε φωτονικά τσιπ πυριτίου θα αποφέρει δραματική μείωση της απαιτούμενης ηλεκτρικής ισχύος με ταυτόχρονη βελτίωση (σε επίπεδα τάξεων μεγέθους) του εύρους ζώνης. Αυτή η επανάσταση είναι συγκρίσιμη με τις βελτιώσεις που παρατηρούνται στους υπολογιστές, όπου τα κινητά τηλέφωνα έχουν τώρα την ίδια απόδοση με τους παλιότερους υπερ-υπολογιστές διακριτών κυκλωμάτων που καταλάμβαναν όγκο μεγέθους αποθηκευτικών κτηρίων πριν από δεκαετίες.
Τα φωτονικά κυκλώματα πυριτίου πρόκειται επίσης να οδηγήσουν σε πολλές νέες εφαρμογές, αρκετές από τις οποίες οι μηχανικοί δεν μπορούσαν να φανταστούν πριν από δύο δεκαετίες. Ήδη αναπτύσσονται κυκλώματα για την επεξεργασία αναλογικών σημάτων ραδιοσυχνότητας, ιδιαίτερα για τις περιοχές συχνοτήτων που είναι δύσκολο να ελεγχθούν ηλεκτρικά (~ GHz - THz). Αυτά είναι πιθανό να αποδώσουν εξαιρετικά σταθερούς ταλαντωτές, αναλογικά συστήματα επικοινωνίας ή απεικονιστές υψηλής ευαισθησίας Terahertz (όπως αυτά που χρησιμοποιούνται σήμερα στα συστήματα ασφαλείας των αεροδρομίων, αλλά με βελτιωμένη ευαισθησία). Είναι επίσης δυνατό να κατευθυνθούν οι φωτεινές δέσμες που εκπέμπονται από το τσιπ μέσω του ελέγχου της σχετικής φάσης του φωτός (π.χ. phased arrays), οι οποίες θα είναι ιδιαίτερα χρήσιμες στη Ρομποτική ή σε αυτόνομα αυτοκίνητα. Τα φωτόνια μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την υλοποίηση αισθητήρων, οι οποίοι, συνδυαζόμενοι με βιολογικές ή χημικές τεχνολογίες, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση μικρών αλλαγών στο περιβάλλον, με άμεση ωφέλεια σε πολλούς τομείς, από την ιατρική φροντίδα έως την ασφάλεια. Και ένας από τους απώτερους στόχους της Φωτονικής ήταν πάντα η πραγματοποίηση ενός οπτικού υπολογιστή. Ενώ αυτό παραμένει πολύ μακριά εξαιτίας των περιορισμών των φωτονίων (δεν αλληλεπιδρούν ισχυρά μεταξύ τους), υπάρχουν μελλοντικές τεχνολογίες Πληροφορικής που μπορούν να επωφεληθούν από τα φωτόνια, όπως οι κβαντικοί υπολογιστές.
Είναι σαφές ότι τα οφέλη από τα ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα είναι τεράστια - ιδιαίτερα όταν η τεχνολογία υιοθετεί πλήρως την κλιμακούμενη κατασκευή η οποία κατέστησε τα ολοκληρωμένα τα ηλεκτρονικά συστήματα τόσο επιτυχημένα. Ωστόσο, οι προκλήσεις παραμένουν, η μεγαλύτερη από τις οποίες είναι η επίτευξη χαμηλού κόστους στη συσκευασία (packaging) ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Η συσκευασία αντιπροσωπεύει σήμερα το μεγαλύτερο μέρος του κόστους επειδή οι οπτικές ίνες πρέπει να τοποθετούνται με ακρίβεια στους κυματοδηγούς χρησιμοποιώντας χρονοβόρες διαδικασίες ακριβείας. Ωστόσο, οι λύσεις που βασίζονται στη μικροπαραγωγή βελτιστοποιούνται συνεχώς και θα βελτιώσουν δραματικά τον ρυθμό απόδοσης (throughput) και την αξιοπιστία των μελλοντικών κυκλωμάτων. Ως αποτέλεσμα, είναι πιθανό πως η ολοκληρωμένη Φωτονική θα επιτύχει την υπόσχεσή της να καταστεί «πανταχού παρούσα» στο προσεχές μέλλον.
