Kuriant mažesnes ir greitesnes duomenų perdavimo technologijas, Stanfordo universiteto elektros inžinierių grupė pagamino nanomatmenų lazerį, kuris yra žymiai greitesnis ir sunaudoja daug mažiau energijos nei kiti panašūs šių dienų įrenginiai.
Kuriant mažesnes ir greitesnes duomenų perdavimo technologijas, Stanfordo universiteto elektros inžinierių grupė pagamino nanomatmenų lazerį, kuris yra žymiai greitesnis ir sunaudoja daug mažiau energijos nei kiti panašūs šių dienų įrenginiai.
Silicio slėnyje kartojama mantra: „greitesni ir mažesni“ puslaidininkiai. Dabar jau pridedama ir „labiau efektyvūs“. Elektriniai duomenų sujungimai Amerikos didžiuliuose kompiuterių centruose sunaudoja milžiniškus elektros energijos kiekius. Todėl labai svarbu sukurti technologijas, kurios sumažintų energijos sąnaudas.
Stanfordo tyrėjų grupė sukūrė mažą, tačiau labai efektyvų puslaidininkinį lazerį, kuris gali būti pranašu naujos eros, susijusios su mažai energijos naudojančiais duomenų sujungimais, kurie tarpusavyje bendrautų ne tik elektronais, bet ir šviesa.
„Šių dienų elektrinės duomenų perdavimo grandinės reikalauja labai daug energijos informacijai perduoti ir, švelniai tariant, yra lėtos“, – pasakė Stanfordo profesorė Jelena Vuckovič, kuri dirba su naujos kartos nanomatmenų lazeriais.
Ji su savo grupe, į kurią įeina ir Brajanas Elisas (Bryan Ellis) ir Garis Šambatas (Gary Shambat), bendradarbiauja su Džeimsu Harisu (James Harris) bei Judžinu Haleriu (Eugene Haller) iš Kalifornijos Berklio universiteto. Bendras darbas atspausdintas „Nature Photonics“ žurnale.
Lakštas su skylėmis, kurios veikia kaip veidrodžiai atspindintys fotonus link lazerio centro
Vuckovič nagrinėja duomenų perdavimo rūšį, žinomą fotoninio kristalo lazerio pavadinimu. Manoma, kad šie lazeriai yra daug žadantys, kuriant naujas duomenų perdavimo technologijas, nes jie yra labai greiti ir nedideli ir, jiems nereikia daug energijos.
„Pagaminome nanomatmenų optinį duomenų siųstuvą (angl. transmitter), tai yra lazerį, kuris naudoja apie milijoną kartų mažiau energijos ir yra apie dešimt kartų greitesnis, nei geriausios šiuo metu rinkoje esančios lazerinės technologijos, – pasakė profesorė. – Svarbiausia, kad tikime, jog šie skaičiai dar gali būti pagerinti“.
Daugelis lazerių dirbdami naudoja daug energijos, o kitiems dar reikia ir antro lazerio, kad aprūpintų pirmąjį lazerį reikalinga energija, vykdydamas kaupinimą.
„Mums reikėjo sukurti lazerį, kuris lygmenų inversijai sukurti naudotų elektrą, bet ne šviesą“, – paaiškino ji. Vienintelis galimas elektrinio kaupinimo fotoninio kristalo lazeris buvo neefektyvus, jo gamyba buvo sudėtinga, todėl ir jo pramoninė gamyba buvo nepraktiška. Vuckovič pirmą kartą pademonstravo elektrinio kaupinimo lazerį, kurį lengva pagaminti ir jis naudoja ypatingai mažai energijos.
Kurdami lazerį mokslininkai, pirmoje eilėje, užaugino galio arsenido puslaidininkinio kristalo lakštą naudodami molekulių pluoštelį, kuris dengė medžiagos sluoksnį po sluoksnio. Po to uždėjo tris sluoksnius kito kristalo – indžio arsenido. Ant galio arsenido lakšto indžio arsenidas suformuoja mažyčius kauburėlius ar kalveles – kvantinius taškus. Užbaigus lakšto formavimą, jo storis sudarė apie du šimtus nanometrų.
Tada inžinieriai sukūrė dvi atskiras sritis lakšto paviršiuje panaudodami jonus. Vienoje pusėje jie patalpino silicio jonus, o kitoje pusėje – berilio jonus. Šios dvi sritys yra vos matomos paviršiuje. Jos padeda sufokusuoti elektros srovę į pageidaujamą lakšto vietą, kur spinduliuoja šviesa. Tai pagerina lazerio veikimą.
Galiausiai, turėdami lakštą, mokslininkai sumontavo jame movas. Jie išėsdino medaus korio pavidalo apvalių skylių grupę lakšte. Šių skylių dydis ir padėtis yra labai svarbi sėkmingam lazerio darbui. Jei skylių dydis būtų per didelis arba jos būtų per mažos, viena arti kitos arba per toli, lazerio darbas būtų mažiau optimalus. Tam tikrais atvejais jis iš viso nedirbtų.
„Šios skylės yra visiškai apvalios su lygiais kraštais ir jos labai svarbios sėkmingam lazerio darbui. Jos veikia kaip veidrodžių salė, atgal link lazerio centro“, – paaiškino Vuckovič.
Lakšto pagrindinėje dalyje fotonai yra koncentruojami į mažą šviesos kamuolį, lazerį, kuris spinduliuoja apie šimtą bilijonų kartų per sekundę dažniu, tai yra dešimt kartų greičiau nei geriausieji dabar naudojami siųstuvai veikia. Tokiu būdu šviesa perduoda dvejetainį signalą: vienetą, kai šviesa įjungta, ir nulį, kai šviesa išjungta.
Iš vienos pusės puslaidininkinės grandinės yra lazeriniai siųstuvai, perduodantys vienetus ir nulius kaip šviesos impulsus. Iš kitos pusės yra imtuvas, kuris verčia šviesos impulsus atgal į elektros impulsus. Abi šias puses reikia sujungti į vieną.
Tam tikslui mokslininkai pašildė ir ištempė ploną optinio kabelio skaidulą, kuris yra apie šimtą kartų plonesnis už žmogaus plauką. Šviesa iš lazerio keliauja išilgai skaidulos į kitą grandinės mazgą. Visa tai vyksta labai ploname sluoksnyje. Šimtai tokių nanofotoninių siųstuvų galėtų būti sujungti į vieną sluoksnį ir daugelis sluoksnių sudarytų vieną lustą.
Tačiau prieš tai, kol Vuckovič sukurtos lazerinės jungtys taps įprastomis ateities įrenginiuose, reikia atsakyti į tam tikrus kylančius klausimus. Naujasis lazeris veikia prie santykinai žemos temperatūros, šimto penkiasdešimties kelvinų, tai yra apie šimtas dvidešimt Celsijaus laipsnių žemiau nulio.
Bet Vuckovič nepasiduoda: „pagerinę gamybos procesą, galėsime gaminti lazerius, veikiančius ir kambario temperatūroje. Tuo pačiu lazeris naudos apie milijoną kartų mažiau energijos nei naudoja dabar esančios komercinės technologijos. Mes matome šviesią mūsų įrenginio ateitį“.
