אינטל הודיעה השבוע על פריצת דרך מדעית חשובה, העושה שימוש בתהליכי ייצור של סיליקון סטנדרטי ליצירת הלייזר הראשון בעולם העשוי מסיליקון. החידוש עשוי להוביל לשימוש שגרתי בלייזרים זולים ואיכותיים ובהתקנים אופטיים במחשוב, תקשורת וביישומים רפואיים.
לפריצת הדרך הזו שותף צוות פיתוח במפעל אינטל בירושלים, השוקד מזה כמה שנים על פיתוח טכנולוגיות המשלבות רכיבים אופטיים על מצע סיליקון.
הצוות הישראלי מונה מספר חוקרים בראשותו של ישראל ינקוביץ, מנהל מחלקת הפיתוח של מפעל היצור של אינטל בירושלים (Fab 8 של אינטל).
בשנה שעברה הצליח הצוות לפתח מאפנן אופטי בסיליקון, המאפשר קצב שידור של 1 גיגה ביט לשניה – המהיר ביותר שנעשה עד כה בסיליקון.
כפי שדיווח השבוע כתב העת היוקרתי Nature, חוקרי אינטל גילו דרך להשתמש באפקט הקרוי "אפקט ראמאן" ובמבנה הגבישי של הסיליקון, כדי להגביר את עוצמת האור העובר דרכו. כאשר הוא מוצף באור הנובע ממקור חיצוני, השבב הניסיוני מפיק קרן לייזר רציפה באיכות גבוהה. למרות שהתגלית רחוקה עדיין מלהיות מוצר מסחרי, עצם היכולת לבנות לייזר מסיליקון סטנדרטי עשויה להוביל לייצור התקנים אופטיים לא יקרים, המעבירים נתונים בתוך ובין מחשבים במהירות האור – ולפתוח בכך הזדמנות ליישומים חדשים הדורשים מחשוב במהירות גבוהה.
כיום, לכל מחשב יש מקור אנרגיה להפעלת השבבים, הדיסק הקשיח והציוד ההיקפי. ואולם, המחשבים האישיים של העתיד יצוידו גם במקור אנרגיה להפעלת לייזרים, מגברים וחיבורים אופטיים זעירים המעבירים נתונים בכמויות הנמדדות בטרהבייט במחשב וברשתות. בנוסף, אורכי גלי אור מסוימים הנם אופטימליים לאינטראקציה עם רקמת הגוף האנושי. לדוגמה, אחד הסוגים של אורך גל לייזר הנו שימושי לטיפול בחניכיים ואילו סוג אחר לקידוח חורים בשיניים. כיום, מחירם של לייזרים אלה נקוב בעשרות אלפי דולרים, עובדה המגבילה את השימוש הנרחב בהם על-ידי רופאי שיניים ורופאים רבים, אך פריצת הדרך של אינטל עשויה להוביל ליצירת לייזרים רפואיים במחיר סביר, שיהפכו את הביקור אצל רופא השיניים לקל ומכאיב פחות עבור המטופלים.
קצת פרטים טכניים למי שמעוניין להרחיב אופקים
בניית לייזר ראמאן מסיליקון מתחילה מיצירת מוליך גל – מסלול מוליך בשבב עבור האור. הסיליקון הנו שקוף לאור אינפרא-אדום ולפיכך, כאשר האור מכוון לנתיב הגל, ניתן "לאוצרו" ולנתבו בתוך השבב. בדומה ללייזר הראשון שפותח בשנת 1960, גם הפעם השתמשו חוקרי אינטל במקור אור חיצוני כדי "להזריק" אור לתוך השבב. כאשר "מזריקים" את האור, התנודות האטומיות הטבעיות שבסיליקון מגבירות האור במקביל לתנועתו דרך השבב. אפקט זה, הקרוי "אפקט ראמאן" משיג הגברת אור חזקה פי 10,000 בסיליקון מאשר בסיבי זכוכית. לייזרי ראמאן ומגברים משמשים כיום בתעשיית הטלקום ומצריכים קילומטרים רבים של סיבים כדי להגביר אור. באמצעות הסיליקון הצליחו חוקרי אינטל להשיג הגברת אור ו"לזירה" (lasing) בשבב סיליקון, שגודלו סנטימטרים ספורים.
לייזר הוא כל התקן הפולט אלומת אור מקוטבת בעלת עוצמה. ציפוי צידיי השבב בציפוי דקיק מחזיר אור, בדומה לציפוי על עדשות של משקפי שמש איכותיים, מאפשר למוליך הגל להכיל את האור ולהגבירו בעת שהאור מנתר הלוך ושוב בתוך השבב. החוקרים הגבירו את אנרגיית ה"הזרקה" של האור, עד לנקודת סף קריטית שבה נפלטה בבת אחת קרן מדויקת מאוד של אור רציף מתוך השבב.
פריצת הדרך
בתחילה גילו החוקרים שהגברת עוצמת הזרקת האור מעבר לנקודה מסוימת לא תרמה עוד להגברת האור ואפילו הפחיתה אותה. התברר כי הסיבה לכך הוא תהליך פיזי הקרוי "בליעה דו-פוטונית", המתרחשת כאשר שני פוטונים מהקרן המוזרקת פוגעים בו-זמנית באטום ומשחררים אלקטרון. האלקטרונים העודפים הללו מצטברים עם הזמן ונאספים על נתיב הגל ובולעים הרבה אור עד לעצירת ההגברה.
פריצת הדרך של אינטל טמונה בשילוב של התקן במבנה מוליך למחצה, אשר שמו הטכני הוא PIN, ראשי תיבות של P-type – Intrinsic – N-Type, בתוך נתיב הגל. כאשר ממתחים חשמלית את ה-PIN, הוא פועל כמו ואקום ומסיר את רוב האלקטרונים העודפים מנתיב האור. התקן ה-PIN המשולב עם אפקט ראמאן מפיק קרן לייזר רציפה.
הדו"ח על המחקר התפרסם בגיליון Nature מה-17 בפברואר 2005. המאמר, שכותרתו "לייזר סיליקון ראמאן רציף" נכתב על-ידי החוקרים האישנג רונג, ריצ'רד ג'ונס, אנשנג ליו, עודד כהן, דני האק, אלכסנדר פאנג ומריו פניצ'יה, כולם מאינטל. העתק של המאמר ומידע נוסף זמין כאן.
