Vedcom z univerzity ETH Zürich sa poradilo niečo, o čo sa vedecká komunita snaží už viac ako 20 rokov. Dokázali vyrobiť plazmonický čip, ktorý konvertuje elektronické signály na svetelné takmer bez strát, čo umožní ultrarýchle dátové prenosy.

Portál TechXplore nedávno upozornil na nový výskum vedcov z univerzity ETH Zürich, ktorí v rámci európskych výskumných projektov Horizon 2020 vyrobili prelomový plazmonický čip. Ten je schopný konvertovať rýchle elektronické signály na ultrarýchle svetelné signály prakticky bez straty kvality prenášaného signálu.

Ich výskum, publikovaný v žurnále Nature Electronics, predstavuje významný moment, pokiaľ ide o účinnosť optických komunikačných infraštruktúr, ako sú optické siete, ktoré používajú na prenos údajov svetlo.

Zobraziť celú galériu (4)

Pixabay

Na konci tohto desaťročia môžu optické komunikačné siete dosiahnuť svoje limity, pokiaľ ide o rýchlosť prenosu údajov. Dôvodom je rastúci dopyt po online službách pre streamovanie, ukladanie a výpočty, a zároveň aj príchod umelej inteligencie a 5G.

Dnešné optické siete dosahujú rýchlosti prenosu dát niekoľkých gigabitov (10⁹ bitov) za sekundu. V budúcnosti sa však bude potrebné, aby prenosové rýchlosti dosiahli oblasť terabitov  (10¹² bitov za sekundu).

Elektronika a fotonika na jednom čipe

„Rastúci dopyt si bude vyžadovať nové riešenia,“ hovorí Juerg Leuthold, profesor fotoniky a komunikácií na univerzite ETH. „Kľúčom k tejto zmene paradigmy je kombinácia elektronických a fotonických prvkov na jednom čipe.“ V oblasti fotoniky sa študujú optické technológie na prenos, ukladanie a spracovanie informácií.

Vedci z ETH v experimente uskutočnenom v spolupráci s partnermi v Nemecku, USA, Izraeli a Grécku, boli prvýkrát schopní spojiť elektronické a fotonické prvky na jednom a tom istom čipe. Z technického hľadiska je to gigantický pokrok, nakoľko v súčasnosti sa tieto prvky vyrábajú na samostatných čipoch, ktoré sú následne prepojené pomocou vodičov.

Zobraziť celú galériu (4)

Pohľad na prepojenie elektronickej (modrej) časti a fotonickej (červenej) časti vo forme plazmoniky. Zdroj: Nature Electronics

Prístup samostatných elektronických a fotonických čipov má niekoľko nevýhod. Na jednej strane je výroba elektronických a fotonických čipov osobitne nákladná, na druhej strane je obmedzená výkonnosť pri konverzii elektronických signálov na svetelné signály, a tým je obmedzená aj prenosová rýchlosť v komunikačných sieťach s optickými vláknami.

„Ak prevádzate elektronické signály na svetelné signály pomocou samostatných čipov, stratíte značné množstvo kvality. To tiež obmedzuje rýchlosť prenosu údajov pomocou svetla,“ uviedol Ueli Koch, hlavný autor štúdie.

Prístup nového čipu preto začína modulátorom (komponentom na čipe), ktorý generuje svetlo danej intenzity premenou elektrických signálov na svetelné vlny. Aby bolo možné svetlo (respektíve dáta) prenášať rýchlejšie, veľkosť modulátora musí byť čo najmenšia, čím sa zabráni strate kvality a intenzity v procese konverzie.

Túto kompaktnosť je možné dosiahnuť umiestnením elektronických a fotonických komponentov tesne nad sebou, napríklad do dvoch vrstiev, a ich priamym spojením s čipom. Toto vrstvenie elektroniky a fotoniky skracuje prenosové cesty a znižuje straty z hľadiska kvality signálu. Keďže elektronika a fotonika sú implementované na jednom substráte, vedci opisujú prístup ako „monolitickú ko-integráciu“.

Zobraziť celú galériu (4)

Zväčšené pohľady na zostavu monolitického transmitera. Zdroj: Nature Electronics

Za posledných 20 rokov zlyhával monolitický prístup práve preto, že fotonické čipy boli omnoho väčšie ako elektronické. To bránilo ich kombinácii na jednom čipe, hovorí Juerg Leuthold. Veľkosť fotonických prvkov znemožňovala ich kombináciu s technológiou polovodičov na báze oxidov kovov (CMOS), ktorá je dnes v elektronike rozšírená.

Riešením je plazmonika

„Teraz sme prekonali rozdiel vo veľkosti medzi fotonikou a elektronikou nahradením fotoniky plazmonikou,“ povedal Leuthold. Už desaťročie vedci predpovedajú, že plazmonika (oblasť fotoniky) by mohla byť základom pre ultrarychlé čipy. Plazmoniku je totižto možné použiť na „stlačenie“ svetelných vĺn do štruktúr, ktoré sú oveľa menšie ako vlnová dĺžka svetla.

Nakoľko sú plazmonické čipy menšie ako elektronické, v súčasnosti je možné vyrábať oveľa kompaktnejšie monolitické čipy, ktoré obsahujú jednak fotonickú, ale aj elektronickú vrstvu. Aby sa elektrické signály konvertovali na ešte rýchlejšie optické signály, obsahuje fotonická vrstva (na obrázku zobrazená červenou farbou) a modulátor plazmónovej intenzity (žltomodrý komponent), ktorý je založený na kovových štruktúrach usmerňujúce svetlo, aby sa dosiahli vyššie rýchlosti.

Zobraziť celú galériu (4)

Detailnejší pohľad na vstupy a výstupy, modulátor a vrstvy elektroniky a plasmoniky. Zdroj: Nature Electronics

Okrem toho dochádza k zvýšeniu rýchlosti aj v elektronickej vrstve (na obrázku v modrej farbe). V procese známom ako „multiplexovanie 4:1“ sa zoskupujú a zosilňujú štyri vstupné signály s nízkou rýchlosťou, takže spoločne tvoria vysokorýchlostný elektrický signál. Ten sa potom prevádza na vysokorýchlostný optický signál.

„Týmto spôsobom sme mohli prvýkrát prenášať údaje na monolitickom čipe s rýchlosťou viac ako 100 gigabitov za sekundu,“ hovorí Koch 

Pre dosiahnutie tejto rekordnej rýchlosti vedci kombinovali plazmoniku nielen s klasickou CMOS elektronikou, ale aj s ešte rýchlejšou technológiou BiCMOS. Zároveň tiež využili nový tepelne stabilný elektrooptický materiál vyvinutý na Washingtonskej univerzite a poznatky z projektov PLASMOfab a plaCMOS spadajúcich pod Horizon 2020.

Podľa Leutholda ich experiment ukázal, že tieto technológie je možné kombinovať a vytvoriť jeden z najrýchlejších kompaktných čipov.