لیزر در شصت سالگی: چشم انداز یکپارچه سازی لیزر بر تراشه های فوتونیکی
به مناسبت ۶۰ سالگی لیزر در ماه مه سال ۲۰۲۰ جان بوئرز[۱] از اعضای انجمن اپتیک آمریکا (OSA) و استاد و مدیر مؤسسه بهره وری انرژی دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا[۲] ایالات متحده، مصاحبه ای با خبرگزاری اپتیک و فوتونیک[۳] رسانه حوزه اپتیک، لیزر و فوتونیک انجمن اپتیک آمریکا داشته است. وی در این مصاحبه نظرات خود را درباره افق های جالب توجه در تحقیقات لیزر حال حاضر مطرح کرده است. در ادامه دیدگاه های این پژوهشگر درباره چشم اندازهای فوتونیک سیلیکانی را که در کنفرانس مجازی CLEO 2020بیان کرده است خواهید خواند.
شاید در ابتدای مصاحبه، یک سؤال بدیهی به نظر برسد اما چرا مهم است که بتوانیم لیزرها را روی تراشه ها یکپارچه کنیم. در این حالت انجام چه نوع کارهایی امکان پذیر می شود و چه کاربردهایی را می توان پیش برد؟
من فکر می کنم وجود لیزر می تواند به راه اندازی یک مدار یکپارچه پیچیده تر کمک کند. وقتی شما یک لیزر دارید که چیزی را راه اندازی می کند، نیازی به مجتمع کردن نیست. در حالیکه یکپارچه کردن لیزر اجازه دسترسی به مجموعه مدارهای مجتمع فوتونیکی غنی تر و پیچیده تر را داده و گستره ی وسیع تری از کاربردها را فراهم می کند.
به عنوان مثال، مدتی قبل ما یک تراشه ۲٫۵ ترابیتی ساختیم که دارای ۶۴ کانال بود. در صورتیکه ما ۶۴ لیزر مجتمع روی تراشه نداشتیم ساختن چنین چیزی ممکن نبود، درست است؟ من فکر می کنم با نمونه های بیشتری از این دست در ارتباطات داده ای[۱]، مخابرات راه دور[۲] و لیدار[۳] مواجه خواهیم شد.
ژیروسکوپ های لیزری که برای سنجش چرخش در اتومبیل ها، هواپیماها و جاهای دیگر کاربرد دارند، نمونه های دیگری هستند. لیزرها نسبت به سامانه های میکروالکترومکانیکی[۴] میزان حساسیت بیشتری دارند، تنها باید به حدود قیمت سامانه های میکروالکترومکانیکی دست یافت تا قابل رقابت باشند. پس تجمیع لیزر با بقیه دستگاه برای یک ژیروسکوپ بسیار لازم است.
امروزه هر ژیروسکوپ لیزری ۱۰ هزار دلار قیمت دارد. برای همین در هواپیماها استفاده می شوند اما در اتومبیل یا گوشی های همراه شما و مانند اینها به کارگرفته نمی شوند. اگر ما بتوانیم لیزر و همه یک مدار فوتونیکی را در یک تراشه یکپارچه کنیم و با روش فوتونیک سیلیکانی در حجم بالا تولید کنیم، این تراشه ها رقابتی شده و در کاربردهای دیگر جالب توجه می شوند.
تصور می کنم یکی از جنبه های دشوار در فوتونیک سیلیکانی یکپارچه سازی لیزر در مدار فوتونیکی است زیرا خود سلیسیوم یک تابنده ضعیف است. آیا می توانید در مورد تعدادی از این چالش ها صحبت کنید؟
مشکل اصلی همان طور که گفتید این است که سلیسیوم دارای یک شکاف انرژی غیرمستقیم است (در انتقال الکترون از نوار هدایت به نوار ظرفیت، فوتون های نور تولید نمی شوند و انرژی به صورت گرما آزاد می شود). بنابراین بازدهی تابش آن در حد یک فوتون در ازای یک میلیون الکترونی است که تزریق کرده اید. در حالی که خصوصاً در اتصالات داخلی[۵] که به توان پایین احتیاج دارید، قطعاً به بازده های بیشتر از ۱۰ درصد و در حالت ایده آل به بازده های ۵۰ درصد و بالاتر نیاز دارید. برای رقابت با دیود لیزرهای تابنده سطحی کاواک عمودی (VCSEL) [6]در اتصالات داخلی به تابنده های پربازده ای نیاز است که مثل آنها عمل کنند و امروزه ما شاهد ورود بخش بزرگی از فرستنده و گیرنده[۷] های مبتنی بر فوتونیک سیلیکانی به مراکز داده هستیم. از آنجا که قادر به یکپارچه سازی لیزر هستیم امکان ترکیب طول موج های چندگانه، انجام دبلیو دی ام ([۸]WDM) و دسترسی به نرخ داده خیلی بالاتر وجود دارد. دستیابی به این موضوع با VCSEL دشوار است زیرا ساختن آرایه های WDM و تجمیع آن در یک موجبر واحد سخت است. در فناوری داخل هواپیما که لیزر در آن با استفاده از روش فوتونیک سیلیکانی معمولی یکپارچه شده باشد، انجام این کار بسیار ساده می شود.
پس توضیح دهید یکپارچه سازی لیزر بر سیلیکان چگونه کار می کند؟
جنبه اصلی برای دستیابی به لیزرهای بسیار پربازده با عملکرد خوب استفاده از موادی است که دارای شکاف انرژی مستقیم باشند. دو راهکار برای این امر وجود دارد، یکی ترکیب ناهمگن III-V و Si است و دیگری رشد رونشستی[۹] III-V بر Si است. یکپارچه سازی ناهمگن، یعنی حالتی‌که یک ماده III-V را روی یک ویفر سلیسیوم می چسبانید و سپس آن را در یک وسیله معمولی سیماس[۱۰] پردازش می کنید، این بسیار بسیار خوب جواب می دهد. شرکت های اینتل[۱۱]، جونیپر[۱۲] و اچ پی ای[۱۳]، همگی به شدت این موضوع را دنبال می کنند. اخیراً اینتل در مقاله ای اذعان کرده است که تولید فرستنده و گیرنده را با نرخ دو میلیون در سال راه اندازی کرده است. این بخش قابل توجهی از کل بازار است. این لیزرها دارای توان بالا هستند، قابلیت کار در دماهای بالا، یعنی دماهایی بالاتر از ۱۴۰ درجه سانتیگراد را دارند و از قابلیت اطمینان بالایی برخوردار هستند چرا که هیچ رویه بی حفاظی مانند نیم رساناهای معمولی ندارند.
رویکرد دیگر که روش رونشستی است با تأخیر پیش می رود چرا که بحث هایی درباره قابل اطمینان بودن آن وجود دارد. وقتی روش رونشستی استفاده می شود، مواد دارای ثابت های شبکه مختلفی هستند و به این ترتیب نقص هایی وارد شبکه می شود. اما خوشبختانه ما متوجه شده ایم اگر از مناطق فعال شامل نقاط کوانتومی استفاده شود، استحکام بسیار زیادی در مقابل تخریب به دست می آید. بنابراین حالا در دمای اتاق ما می توانیم به لیزرهایی با طول عمر یک میلیون ساعت دست یابیم که نقاط کوانتومی ای دارند که بر سلیسیوم به صورت رونشستی رشد یافته اند و این بسیار امیدوارکننده است.
رویکرد ناهمگن در حال حاضر در مسیر تولید ویفر ۳۰۰ میلیمتری است، اما رشد رونشستی هنوز عملیاتی نشده. این روش ۱۰ سال عقب افتاده است یعنی ده سال دیگر برای ورود به بازار زمان نیاز دارد، اما برای آینده بسیار امیدوارکننده است. این رشته به سرعت در حالت پیشرفت است و افراد زیادی در اقصی نقاط دنیا روی آن کار می کنند، نه فقط در ایالات متحده که در هنگ کنگ، چین، ژاپن، انگلستان، آلمان و … هم در این زمینه فعالیت می شود.
کنجکاو شدم بدانم اگر روش ناهمگن به این خوبی کار می کند چه چیزی روش رونشستی را آنچنان سودمند می کند که همچنان ارزش کار روی آن وجود داشته باشد؟
اگر شما با روش اتصال ناهمگن کار کنید یکپارچه سازی نسبتاً سرراست و دست یافتنی است. اینتل و شرکت های دیگر اینکار را انجام داده اند. می توانید این روش را در پایان فرآیند تولید به کار گیرید جایی که مس و دیگر مواد آلوده کننده مدار کار گذاشته شده اند، بنابراین کار با مواد III-V مشکل خاصی ندارد.
هنگامی که شما رشد رونشستی انجام می دهید، ممکن است لازم باشد در مراحل اولیه یکپارچه سازی انجام شود. بنابراین یکپارچه سازی با سیماس بیشتر یک چالش است. در این وضعیت حتی اگر همه چیز از لحاظ فنی خوب کار کند، مشکلات بیشتری در زمینه یکپارچه سازی وجود دارد و ما هنوز روی آن کار می کنیم.
اما عامل جالب توجه و محرک بودن روش رونشستی این است که شما می توانید یک ویفر ۳۰۰ میلیمتری سیلیکانی را به قیمت دویست دلار بخرید. در حالی که یک ویفر فسفید ایندیم شش اینچی، ۱۵۰ میلیمتری که در یکپارچه سازی ناهمگن مورد استفاده قرار می گیرد ۷۰۰۰ دلار است. بنابراین یک انگیزه بزرگ اقتصادی برای رشد رونشستی وجود دارد که لیزرها را بسیار ارزان می کند.
من فکر می کنم کارهای زیادی، حداقل در سطح آکادمیک، در جهت پیشبرد “شانه فرنکانسی روی تراشه” وجود دارد آیا پرداختن به این امر به نزدیکی موضوع به اهداف تجاری مرتبط است؟
در اینجا نیز دو روش وجود دارد که هرکدام جایگاه خود را دارند. یکی دارای یک رزوناتور است، آن را پمپ می کنید و آن شانه فرکانسی می سازد. بنابراین شما از رزوناتور سلیسیوم، نیترید سلیسیوم و دی اکسید سلیسیوم می توانید استفاده کنید و همه آنها کار می کنند، فکر می کنم این به تجاری سازی نزدیک است. تصور می کنم ما منابع شانه فرکانسی را خواهیم دید، منابع چند طول موجی برای چیزهایی مثل WDM و [۱۴] CWDMبه طور ویژه شناخته شده اند. حدس می زنم این منابع کمتر از پنج سال دیگر معرفی شوند.
شکل ۱- تصویربرداری با میکروسکوپ الکترونی SEM از میکرورزوناتور آلومینوم گالیوم آرسناید روی عایق، برای ساخت شانه فرکانسی روی تراشه (منبع عکس: L. Chang et al.Nat. Commun, doi: 10.1038/s41467-020-15005-5; CC-BY 4.0)
روش رقیب آن فقط لیزرهای قفل شده مدی هستند که آنها نیز شانه فرکانسی تولید می کنند. بنابراین سؤال این است که کدام توان کمتری مصرف می کنند و بازده بالاتری دارند؟ کدام با توان داده شده برای پمپ، توان بیشتری به ازای هر خط ایجاد می کند؟
در محدوده های طیف آزاد پایین تر روش لیزر قفل شده مدی بهتر جواب می دهد. در محدوده های طیف آزاد بالاتر روش پمپ شانه فرکانسی راه حل به حساب می آید. ما یک مقاله در مجله Nature Communications داریم که از گالیوم آرسناید روی سلیسیوم برای ساختن شانه فرکانسی استفاده کرده است. ما به توان های بسیار پایینی، توان ۳۰ میکرو وات، برای ساخت شانه دست پیدا کرده ایم. قبلاً شما به توان هایی در حد وات نیاز داشتید، درسته؟ این بسیار دردناک بود، فقط می توانستید برای یک کار کاربردی، آزمایش علمی انجام دهید. اما حالا به چیزی بسیار کارآمد دست یافته اید.
دوباره تأکید می کنم، این که شما این کار را به طور ناهمگن انجام می دهید یک مزیت بزرگ است. در حقیقت، کاملاً به این دلیل است که شما قدرت را از ده ها میلی وات به ده ها میکرووات کاهش می دهید. در واقع وقتی ویفر سیلیکان-اکسید-سیلیکان را می گیرید و گالیوم آرسناید را به آن متصل می کنید، سپس بستر گالیوم آرسناید (GaAs) را جدا می کنید، به طور عمودی به محدود سازی بسیار مناسبی دست پیدا کرده اید. همچنین با یک لیتوگرافی خوب که با سیماس به دست می آید، به محدود سازی مناسب افقی دست می یابید. بنابراین حقیقتاً مساحتی ۱۰۰۰ برابر کوچکتر از موج بر های گالیوم آرسناید به دست می آید و راه اندازی توان های آستانه به میکرووات کاهش می یابد.
آیا برای یکپارچه کردن لیزرها و فوتونیک سیلیکانی یا مرزهای بعدی که شما اکنون در مقابل خود می بینید چالش های بزرگی وجود دارد؟
یک تغییر بزرگ دیگر وجود دارد که هم اکنون اتفاق می افتد و باید به آن توجه داشته باشیم و آن این است که چندین شرکت (شرکت لوکسچرا[۱] نمونه برتر است و سیسکو[۲] که هم اکنون خریدار لوکسچرا است) حجم بسیار زیادی، در حد میلیونها فرستنده و گیرنده، تولید می کنند اما آنها از عایق های نوری حجیم[۳] بین لیزر و تراشه فوتونیک استفاده می کنند. علت آن است که لیزرها به بازتاب حساس هستند، بنابراین شما به این عایق های نوری نیاز دارید تا در بسیاری از کاربردها عملکرد مناسب داشته باشید. اما یکی از محدودیت هایی که شما با آن روبرو هستید این است که اگر هر لیزر ناچار باشد مستقلاً یکی از این عایق های نوری حجیم داشته باشد، محصول گران، بسیار حجیم و سنگین می شود.
یکی از مزایای رفتن به سمت نقاط کوانتومی این است که لیزرها نسبت به بازتاب غیرحساس هستند. با نقاط کوانتومی می توانید ضریب افزایش پهنای خط را به صفر برسانید. حساسیت بازتاب با یک واحد بالا رفتن ضریب افزایش پهنای خط با توان چهارم بیشتر می شود. بنابراین حتی اگر آن را تا ۰٫۱ کاهش دهید، dB 40 در کاهش حساسیت بهتر عمل کرده اید.
به همین خاطر اکنون من فکر می کنم ما شاهد ظهور کاربردهای تازه زیادی خواهیم بود، زیرا این روش به تازگی شناخته شده است. اگر لزوم وجود عایق نوری منتفی شود، مسیر بسیاری از کاربردهای دیگر باز می شود. من فکر می کنم این موضوع به زودی تأثیر بزرگی خواهد داشت و این امکان را به ما می دهد تا به سوی کاربردهای دیگر مانند لیدارها، ژیروسکوپ ها و چیزهایی دیگری که امروزه به عایق نوری نیاز دارند گام برداریم. مسیر تازه ای که پیش رو است به کارگیری لیزرها و شانه ها برای کاربردهایی مانند نگهداری زمان و پیمایش دقیق است. یکپارچه سازی ناهمگن لیزرهای مرئی، به ویژه لیزرهای آبی و اشعه ماوراء بنفش GaN، همراه موجبرهای نیترید سلیسیوم روی سیلیکان، حاوی طیف گسترده ای از کاربردها خواهد بود.
برای همین من فکر می کنم کاربردهای بسیاری وجود دارد که در آینده در این حوزه پیش روی ما باز می شوند و در حجم بالا، یکباره می توان با هزینه کم آنها را انجام داد.
در آخر اینکه شما مدیر مؤسسه بهره وری انرژی دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا هستید، برای من جالب است شما صحبتی در مورد اهمیت کار در زمینه یکپارچه سازی فوتونیک به طور کل و یکپارچه سازی لیزر به طور خاص در بهره وری انرژی داشته باشید.
همه ما از رشد مراکز داده خوشحال هستیم، بسیاری از مشکلات میزبانی را حل کرده و ما را از ذخیره سازی همه عکس ها و داده های دیگر در رایانه های خانگی محلی بی نیاز کرده است. با وجود یادگیری ماشین و هوش مصنوعی، مراکز داده به صورت تصاعدی در حال رشد هستند.
در حالیکه اگر امروز به مصرف برق در ایالات متحده نگاه کنید مراکز داده، اینترنت و غیره، احتمالاً ۴٪ مصرف را تشکیل می دهند. با وجود نرخ رشد فعلی، به ویژه اینکه این نرخ رشد با یادگیری ماشین پیش می رود، صحبت از امکان افزایش سهم مورد استفاده در مراکز داده به ۲۵٪ از کل برق کشور است.
بنابراین ما باید مراکز داده را به مراتب کارآمدتر از آنچه امروز است، بسازیم و این جایی است که فوتونیک وارد می شود. معیار اندازه گیری انرژی که امروزه مردم از آن استفاده می کنند مربوط به انتقال هر یک بیت انرژی است. مقدار آن امروزه شاید حدود ۱۰ تا ۱۰۰ پیکوژول در بیت باشد. اما با ادغام لیزر روی تراشه و ساخت تراشه های پیچیده تر و با ظرفیت بالاتر، می توانید آن را به سطوح مثلاً ۰٫۱ پیکوژول در هر بیت و در نتیجه ده یا صد یا هزار برابر بهتر از امروز برسید.
علاوه بر این معمولاً در تراشه های با کارایی بالای امروزی، تقریباً نیمی از انرژی راه اندازی برای I/O (ورودی، خروجی) مصرف می شود و این فقط اسراف است. در حالی که وقتی به سمت فوتونیک می روید، هنگامی که بیت هایی تولید کرده و آن را منتقل می کنید، مهم نیست که این بیت یک میکرون یا یک کیلومتر پیش برود، در هر صورت یکسان است.
بنابراین این حوزه درهای دیگری را پیش روی معماری های مراکز داده می گشاید. شما می توانید حافظه و چیزهای دیگر را از هم جدا کرده و آنها را در جایی که مناسب و معقول است قرار دهید و محدود به این نیستید که تا کجا و در چه فاصله ای می توانید سیگنال را به صورت الکتریکی بازسازی کنید. به همین دلیل عمده تمرکز ما بر ساختن مراکز داده با راندمان انرژی بالاتر نسبت به موارد امروزی است.
[۱] Luxtera
[۲] Cisco
[۳] Bulk optical isolator
[۱] Datacom
[۲] Telecom
[۳] Light Detection and Ranging:LIDAR
[۴] Micro-Electromechanical System: MEMS
[۵] Interconnection
[۶] Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser: VCSEL
[۷] Transceiver
[۸] Wavelength-Division Multiplexing: WDM
[۹] Epitaxial
[۱۰] Complementary Metal Oxide Semiconductor: CMOS
[۱۱] Intel
[۱۲] Juniper
[۱۳] HPE
[۱۴] Coarse Wavelength Division Multiplexing: CWDM تکنولوژی مولتی پلکس کردن طول موج برای شهرها و دسترسی به شبکه ها
[۱] John Bowers
[۲] University of California, Santa Barbara :UCSB
[۳] Optics And Photonics News