داستان از اونجایی شروع میشه که خیلی وقته دانشمندا دنبال این بودن چطور لیزرهای باحال و پیشرفته، یعنی همون لیزرهای Quantum Dot (یا همون نقطه کوانتومی که خلاصه‌ش میشه QD و مخصوص کارای دقیق و مینیاتوری هستن)، رو مستقیماً بذارن روی چیپ‌های سیلیکونی. این فوتونیک چیپ‌ها یعنی چیپ‌هایی که با نور (به‌جای برق معمولی) کار میکنن و مثلاً برای اینترنت پرسرعت، سرورها، یا حتی گجت‌های خونه هوشمند و ساعت هوشمند هم به کار میان.
تا حالا قضیه این بوده که لیزرها و چیپ‌های سیلیکونی مثل آب و روغن با هم قاطی نمیشن! هرچی تلاش کردن یا باید کل سیستم رو از نو طراحی میکردن یا لیزر رو جدا از چیپ میذاشتن که این خیلی کار رو گرون و پیچیده میکرد. اما حالا یه تیم از دانشگاه کالیفرنیا (سر دسته‌شون هم خانم Rosalyn Koscica بوده) با سه تا حقه مهندسیِ باحال این مشکل رو حل کردن:
اول اینکه یه مدل خاص لیزر جیبی رو انتخاب کردن که میشه راحت مستقیماً روی سیلیکون جا داد. دوم، رشد لیزر رو در دو مرحله انجام دادن؛ یعنی اول با یه روش به اسم metalorganic chemical vapor deposition (یه مدل لایه‌نشانی مخصوص که با بخار فلزی و آلی کار میکنه)، بعدشم molecular beam epitaxy (که یه تکنیکیه برای ساختن لایه‌لایه و دقیق مواد روی چیپ‌ها). سوم هم، یه پلیمر (یه جور پلاستیک تخصصی) باحال رو به عنوان پر‌کننده بین فاصله‌ی لیزر و سیلیکون استفاده کردن تا پرتو نور الکی پخش نشه و بتونن شعاع نور رو توی مسیر دلخواه کاملاً کنترل کنن.
حالا چرا این موضوع انقدر مهمه؟
چون گذشته مشکل این بود که جنس مواد لیزر و سیلیکون با هم نمیخوند، بعد هم وقتی می‌خواستن نور رو از لیزر وارد چیپ کنن کلی انرژی هدر می‌رفت و بازده پایین بود. اما با این ترفندها تونستن فاصله و اتصال بین لیزر و سیلیکون رو خیلی دقیق تنظیم کنن و مشکلات قدیمی رو کنار بذارن.
از قشنگ‌ترین بخش‌های کار، عملکرد پایداره لیزرهاست. یعنی لیزرهایی که ساختن تا دمای 105 درجه سانتیگراد هم جواب دادن (یعنی وقتی محیط شدیداً داغ میشه هم از کار نمی‌افتن). جالبه بدونی عمر این لیزرها هم عالیه، مثلاً تو دمای 35 درجه بیشتر از 6 سال کار میکنن، اونم بدون اینکه راندمانشون بیاد پایین یا خراب بشن! این قضیه یعنی پایداری حرارتی فوق‌العاده که قبلاً با لیزرهای ادغام‌شده عملاً رویا بود.
یکی دیگه از قشنگی‌ها اینه که لیزرها روی همون باند O (اُ-بند، یعنی یه بازه فرکانسی خیلی پرمصرف تو ارتباطات مرکز داده‌ها و سرورهای ابری) کار میکنن و میشه مستقیماً تو سیستمای ابری (cloud storage) و دیتاسنترها استفاده‌شون کرد. حتی تونستن لیزرها رو با رزوناتور حلقه‌ای (Ring Resonator) یا آینه‌های تخصصی به اسم distributed Bragg reflector (که از سیلیکون نیترید ساخته میشه – یه جور ماده که خاصیت اپتیکی عالی داره) ترکیب کنن و مشکلِ هماهنگی و پس‌خوراند ([optical feedback] یعنی برگشت نور به سمت منبع و اختلال تو عملکرد) رو هم حل کنن.
از نظر تولید صنعتی هم این روش عالیه. چون هم میشه تو همون کارخونه‌های معمولی چیپ‌سازی (semiconductor foundry یعنی کارخونه‌ای که چیپ می‌سازه) پیاده‌ش کرد و هم لازم نیست کلی معماری و ساختار چیپ رو به هم بزنی یا پول الکی خرج کنی. این یعنی مقیاس‌پذیر و ارزونه، پس دیگه احتمال اینکه به زودی فوتونیک چیپ‌ها وارد تولید انبوه و حتی وسایل دم‌دستی مثل لپ‌تاپ و گجت‌های خونه هوشمند و ساعت‌های ورزشی بشن، خیلی زیاد شده.
البته هنوز باید صبر کنیم ببینیم واقعاً میشه این کار رو رو چیپ‌های خیلی بزرگ و تولید انبوه (wafer) پیاده کرد یا نه. چون همیشه چیزی که تو آزمایشگاه جواب میده، تو واقعیت و تولید انبوه شاید کمی چالش داشته باشه. اما فعلاً همه چی عالیه: هم طراحی جمع و جور، هم سازگاری با روش‌های رایج ساخت چیپ و هم جواب دادن تو O-band که همش با هم یه پیشرفت خفن محسوب میشه!
در کل، اگر این روش جا بیفته، دیگه می‌تونیم خیلی راحت‌تر از گذشته شاهد فوتونیک چیپ‌های ارزون و سریع توی دیتاسنترها، سنسورهای پیشرفته و کلی ابزار هوشمند جدید باشیم. دنیای آینده قرار نیست فقط با برق کار کنه، نور داره میاد که عهده‌دار سرعت و قدرت بشه! 😎
منبع: +
