I dag består de flesta datornät av koppartråd. Datorns databuss är fast förankrad med detsamma, kretskort har ledare av koppar och inuti kretsarna är ledarna av aluminium. Metall överallt. Därför är det ett särskilt genombrott som väntar runt hörnet: möjligheten att ersätta metallerna med kiselfotonik, dataöverföring med ljus direkt från kisel. Riktigt kul är dessutom att det kan bli ett svenskt genombrott.

Elektrisk ström kämpar mot kapacitanser och induktanser som begränsar gränsfrekvensen, och dessutom kan den otrevliga läckströmmen göra att strömmen går på andra ställen än där det var tänkt. Sådant slipper man med kiselfotonik. Den stora fördelen med ljus jämfört med elektriska signaler är att kapaciteten i praktiken är obegränsad. En glasfiber kan överföra hur mycket data som helst.

För dagens processorer är det en viktig fördel. Vi verkar ha nått gränsen för hur mycket man kan göra med en enda processor och moderna processorer har upp till nio kärnor. Fler lär det dessutom bli. De måste kunna kommunicera och använder man elektriska förbindelser mellan kärnorna kräver de en ohemult stor del av infrastrukturen på kretskorten. Det är inte underligt att Intel och andra tittar på lösningar med optiska förbindelser. Kruxet är att de lösningarna måste kunna massproduceras och just nu är det inte möjligt.

Löser massproduktionen


På Institutionen för mikroelektronik och tillämpad fysik på KTH arbetar Sebastian Lourdudoss, professor i halvledarmaterial, och hans forskarlag med att lösa de problem som ställer till det för massproduktionen.

Halvledarlasrar är ingen nyhet, men gängse exotiska lasermaterial som indiumfosfid (inp) och galliumarsenid passar inte ihop med kiselkristallen och orsakar därför felaktigheter. Av den anledningen har man hittills fått ta allt laserljus från utsidan av kretskorten eller limmat fast lasermoduler av indiumfosfid på kislet. Ett roligt experiment som Intel kallar för hybridlaser, men klumpigt i praktiken.


Professor Sebastian ­Lourdudoss vid KTH i Kista forskar kring bland annat monolitisk integration av III-V halvledare på kisel.


Docent Lech Wosinski vid KTH i Kista ägnar sina dagar åt att ­studera mikrostruk­turer på kisel.

Indiumfosfid på ytan


Vad Sebastian Lourdudoss och hans forskarlag gör är att deponera indiumfosfid på kisel­ytan och acceptera felaktigheterna. ­Sedan lägger de på en mask med 100 nanometer små hål och fortsätter att deponera indium­fosfid ovanpå. Felaktigheterna i kristall­strukturen kan varken ta sig upp genom masken eller genom hålen. Indiumfosfid­kristallen fortsätter att växa nästan felfritt.

Där befinner sig forskningen i skrivande stund (september 2008). Arbetet framskrider och lyckas man blir resultatet att laserkaviteter av indiumfosfid kan integreras direkt på ett kiselsubstrat. Genast kommer priserna att rasa och tillförlitligheten att öka. När man väl har fått en direktdeponerad laserkavitet att lasra kan ljuset ledas ut i vågledare.

Passiva komponenter


Det leder oss in på docent Lech Wosinskis arbete med vågledare, så kallade nanotrådar (nanowires) och andra passiva komponenter. Här slåss KTH med bland andra IBM och Intel med att få fram användbara ledare, modulatorer och detektorer för laserljus. Det gäller att komma upp i kapaciteter på 40 till 100 gigabit per sekund och kunna sammanföra och separera 256 våglängder eller mer, allt med komponenter i en skala på ett par mikrometer och ledarbredder på 200 nanometer.

Både Intel och IBM är duktiga på att bygga modulatorer och vågledare och kapaciteten tiodubblas vartannat år. IBM kan böja vågledare till radier mindre än en mikrometer och dessutom bygga styrbara optiska rangerbangårdar med fotoniska kristaller.


En ljusmodulator för 40 gigabit per sekund från ­Intel. Det är den lilla pinnen i mitten som gör jobbet. Resten är prototypkretsar.


Arbetet med att pumpa laserkaviteter i kisel är intensivt. Intel och Universitetet i Santa Barbara använder en elektriskt pumpad hybridmodul i Algainas som monteras invid en nanotråd och överför ljus via närfältet (evanescent laser).


Andra tillverkare har valt andra vägar. Ghent-Imec har tillverkat en tårtformad ”mikrodisk”-laser i inp med en diameter på 7,5 mikrometer som kopplas till en vågledare i kisel.


De senaste vågledarna för ljus har ett tvärsnitt på cirka 200 x 500 nanometer. Med så små rör i kisel blir ljuset kvar inuti tack vare totalreflektion i ytan mellan kisel och luft och dielektrisk reflektion mot kiseloxidsubstratet. Ledarna kan göras i kisel med vanliga metoder för halvledarframställning. Bilden visar en kopplare mellan två vågledare.


Problemet är böjarna. Vågledarnas kanter är helt enkelt för skrynkliga och ljuset läcker ut snarare än studsar på ytan. Genom att värma upp materialet till nästan 1 000 grader eller oxidera det på ytan kan man jämna ut skrynkligheterna och hålla ljuset kvar trots att böjarna har radier kring två mikrometer.


En nanotråd i elektronmikroskop (falskfärgad). Den är gjord av kisel och ligger på ett substrat av kiseldioxid. Färgskalan anger ljusstyrkan och du ser att inget läcker ut.


En demultiplexerare för fiber­optik, i princip fyra bandpassfilter som skiljer fyra våglängder åt, enligt principen arrayed waveguide grating (awg). Den är bara 40 x 50 mikrometer stor.


En fotonisk kristall i kisel. Topparna som sticker upp är i stil med en ljusvåglängd och fungerar som en reflektor för infrarött ljus. Matriser av sådana toppar kan användas för att leda, böja och filtrera ljus.

Fiberoptik på moderkortet


Vad blir resultatet av detta? Först och främst billiga fibergränssnitt till lågprisdatorer. Räkna med att snart sitta hemma med fiberoptiska nät och fibergränssnitt integrerat på moderkortet. Lyssnar vi till Agilent Technologies är nästa steg fiberförbindelser mellan instickskort i databussen. Inom två till fem år följer fibrer på kretskortet och det sista och svåraste steget, förbindelser inne i kretsarna, dyker upp om sex till tio år.

När priset på utrustning för våglängdsmultiplex (dwdn) sjunker, ökar farten på internet utan att priset ökar exponentiellt. Internet lär inte korkas igen den närmaste framtiden

Text & Foto: Jörgen Städje

» Så går du vidare, länkar:

Fakta


»
Laser och fotonik är dyrt med dagens exotiska material. Med kiselfotonik kan optiska nätverk bli var mans egendom.

» Med vågledare på kisel kan tätheten göras mycket hög (mikrometerstrukturer).

» Med optisk kiselteknik kan man använda samma tillverkningsteknik som för gängse halvledare.

» Att öka prestanda ­kommer att bli billigt med kisel som substratmaterial.