Šviesa sujungia
Optinės jungtys, pagamintos silicio CMOS lustų pagrindu, greitai įveiks elektrinių jungčių galimybių ribas. Apie šių jungčių perspektyvas žurnale „SPIE’s Magazine” svarsto Standfordo universiteto profesorius Davidas A. B. Milleris. D. A. B. Milleris anksčiau yra dirbęs Bello laboratorijoje, kur kartu su bendradarbiais atrado kvantinio ribojimo sąlygotą Starko efektą ir sukūrė pirmuosius šviesos moduliatorius su puslaidininkinių kvantinių duobių dariniais.
Dabar beveik visi tolimieji ryšiai remiasi optika, o visiškai optinės technologijos užkariauja vis didesnę rinkos dalį ir artimojo nuotolio tinkluose. Ateities vietinių tinklų technologijoje, pavyzdžiui, 10 Gb Ethernete optika turėtų būti naudojama labai plačiai. Be to, duomenų perdavimo optinių jungčių jau dabar yra didelių elektroninių sistemų viduje, ypač jungiant įrangos blokus prie įvairių periferijos blokų, pavyzdžiui, atminties.
Nepaisant visų šių laimėjimų, iki šiol labai tikimasi, kad greit bus rastas sprendimas, kaip pratęsti optines jungtis iki pat silicio elektronikos lusto. Dabartinės optinės jungtys paprastai būna ne vienos dešimties metrų ilgio. Kam šautų į galvą naudoti tokias jungtis luste, kur jungčių ilgis centimetrai ar net milimetrai? Net jei tokia mintis ir patiktų, kaip reikėtų tokias jungtis padaryti?
Iš pradžių būtina suprasti kelias elektrinių, laidinių sujungimų problemas ir pasižiūrėti, kokių potencialių privalumų turi optika. Vienas esminių dalykų yra tai, kiek bitų per sekundę maksimaliai galima perduoti elektrine jungtimi. Paprastoje linijoje, kurios galimybes riboja linijos varža R ir jos talpa C, vieną duomenų bitą po kito galime siųsti ne dažniau nei per RC. Toks dėsningumas tinka daugeliui silicio luste sukurtų jungčių. Apskritai paėmus, jeigu koks nors laidas neleidžia perduoti pageidaujamo duomenų srauto, jį galima pastorinti ir taip sumažinti laido varžą. Sprendimas gana paprastas, tačiau kai laidai užpildys visą turėtą tam tikslui erdvę, šios koncepcijos toliau taikyti nebegalėsime.
Didelės spartos skaitmeninėse sistemose visos signalų perdavimo linijos, išskyrus sukuriamas lustų paviršiuje, veikia kaip indukcinės talpuminės (LC). Net ir ilgesnės linijos lustuose neišvengiamai panašėja į LC linijas. Keista, bet LC linijos, pavyzdžiui, koaksiniai kabeliai ar kitos didelio dažnio signalų perdavimui naudojamos suderinto impedanso linijos dėl priežasčių, susijusių su jų varža, paklūsta tokiems pat matmenų mažinimo/didinimo sąryšiams, kaip ir RC linijos. Dar keisčiau yra tai, kad paprasto „nulis-vienetas” signalizavimo atveju tokios LC linijos iš esmės sugebės perduoti savo skerspjūvio ploto vienetu mažiau informacijos už RC linijas, todėl perėjimas prie suderintojo impedanso LC linijų matmenų keitimo problemą padarys dar sudėtingesnę.
Kai visa laisva erdvė luste jau bus pilna laidų, staiga atsiras problemų visose sistemos ilgio skalėse. Tos problemos negalima išspręsti taikant miniatiūrizavimą. Nors silicio lustuose jungtys ir yra pačios geriausios iš visų įmanomų elektrinių jungčių, Puslaidininkių pramonės asociacija (SIA – Semiconductor Industry Association) pranašauja, jog po 2006 m. joks fizikinis sprendimas nebeleis toliau mažinti jungčių matmenis tiek, kiek to reikės tuometiniam integracijos lygiui. Šis matmenų mažinimo numatomas barjeras ir yra svarbiausia priežastis, dėl kurios net lustų jungčių kūrėjai pradėjo susidurti su dideliais apribojimais.
Taigi gali tekti išnagrinėti trumpų optinių jungčių klausimą kur kas anksčiau, nei buvo galima tikėtis. Optinių jungčių nevaržo nė viena iš minėtų elektronikos prietaisų mažinimo problemų, nes abi koncepcijos remiasi visiškai skirtinga fizika.
Kuriant jungtis ne luste, susiduriama su dar didesniais keblumais. Kai jungtis yra lusto paviršiuje, įmanoma ilgas jungtis skaldyti į trumpesnes, tarpuose įrengti po kartotuvą, bet ši koncepcija nebetinka, kai jungtis ne luste. Todėl tikriausiai optinių silicio jungčių integriniams grandynams diegimas prasidės būtent nuo tų, kurios yra ne pačiame luste, o už jo.
Optinės jungtys perspektyvios ir dėl daugelio kitų priežasčių. Jos atsparios elektromagnetiniam poveikiui ir kryžminei sąveikai, leidžia izoliuoti įrangą nuo pašalinių įtampos iškrovų bei pasižymi labai mažais nuostoliais. Taip pat galima įsivaizduoti situaciją, kai laisvaerdvė optika sukuria daugelio vieno lusto siunčiamų šviesos pluoštelių vaizdą kitame luste. Toks dalykas iš principo neįmanomas naudojant elektrines jungtis, nes kiekvienam signalui privalu skirti po atskirą liniją.
CMOS perspektyvos
Tiesioginio optinio jungimosi prie iš silicio gaminamų papildančiųjų metalo-oksido-puslaidininkio (CMOS – Complementary Metal Oxide Semiconductor) lustų idėja yra patraukli dėl kelių priežasčių. CMOS bus vyraujanti ateities mikroelektronikos technologija. Pritaikius CMOS technologiją galima drastiškai sumažinti optinių jungčių kainą, palyginti su brangiomis elektroninėmis jungtimis. Be to, optoelektroninių prietaisų integravimas su CMOS grandynais gali pagerinti jungčių sistemos veikos parametrus. Naudojant CMOS lustuose integruotus fotodetektorius galima sumažinti jų talpą. Sumažėjusi talpa leistų pagaminti mažesnės galios imtuvų grandynus, jie galėtų reaguoti į didesnius įvesties įtampos svyravimus ir būtų atsparesni triukšmams.
Istoriniu požiūriu optines jungtis integruoti į CMOS grandynus ilgai trukdė tinkamų optinių komponentų nebuvimas. Dabar atsirado du prietaisai, galintys atlikti šį vaidmenį. Tai kvantinių duobių diodiniai moduliatoriai ir vertikalaus rezonatoriaus paviršiuje spinduliuojantys lazeriai (VCSEL – Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Kvantinių duobių diodai tinka integruoti į dideles matricas ir sistemų lygmenyje jau yra gana plačiai naudojami. Jų trūkumas tas, kad jiems reikia išorinio šviesos šaltinio, bet netgi ir šis trūkumas turi savų privalumų, nes išorinio šaltinio bangos ilgį galima labai tiksliai parinkti, o jį patį galima naudoti ir kaip jungties taktinio dažnio generatorių.
Ir VCSEL, ir kvantinių duobių moduliatoriai gaminami iš A3B5 grupės puslaidininkių, tokių kaip galio arsenidas ir aliuminio-galio arsenidas, todėl norint juos sujungti su silicio grandynais, reikia tam tikrų pastangų. Bello laboratorijoje sumanyta prie pagamintų silicio CMOS lustų kvantinių duobių diodus tiesiog prilituoti. Tokie prietaisai, numatyti darbui su šviesos pluoštelių, statmenų silicio lusto paviršiui, matricomis, gali vienu metu būti ir detektoriai, ir atspindėtos šviesos moduliatoriai. Taikant panašią technologiją, pavyko vieną CMOS lustą sujungti su kitu šviesos pluošteliais, kurie atspindimi vieno lusto paviršiuje esančių moduliatorių ir registruojami kitame luste stovinčių fotodetektorių.
Viename iš taikymo variantų moduliatorius veikia trumpi, takto dažniu dirbantys lazerio impulsai. Paprastai valdymo signalą apgadina tirtis (jitter) – dažnas elektrinių sistemų palydovas. Nuskaitant moduliatorių trumpais lazerio impulsais, patenkančiais į jį per moduliavimo lango vidurį, galima perduoti signalą be tirties – tai gana neįprasta ir unikali tokios optinės jungties savybė.
Kitu atveju bangos ilgiai sutankinami WDM jungiant lustus keliais kanalais, bet naudojant tik vieną lazerį. Trumpus impulsus generuojančio lazerio spektras turi daug įvairių bangos ilgių. Kiekvienas siųstuvo lusto atspindintis kvantinių duobių moduliatorius moduliuoja skirtingus bangos ilgius. Visi šie bangos ilgiai yra su difrakcinės gardelės pagalba suvedami į vieną skaidulą, per kurią jie patenka į panašią optinę sistemą, savo ruožtu išskiriančią skirtingų bangos ilgių signalus taip, kad būtų galima kiekvieną atskirai perskaityti. Tai tik keletas pavyzdžių mokslinių projektų, vykdomų kuriant optines jungtis.
Ką žada ateitis?
Iki šiol silicio CMOS lustų optinės jungtys vis dar mokslinių tyrimų objektas, todėl kol kas sunku pasakyti, kada jos bus pradėtos diegti pramonėje. Tačiau šio dešimtmečio pabaigoje elektroninių sistemų jungčių problema turėtų tapti tokia aštri, kad tikrai prireiks kokios nors visiškai naujos jungčių technologijos koncepcijos. Be abejonės, optika yra vienintelis fizikinis tokių problemų sprendimas.
Maža to, maždaug tuo pat metu silicio CMOS jungtys privalės dirbti tokiais dideliais takto dažniais, kad jos jau galės tiesiogiai susisieti su optiniais kanalais, veikiančiais, pavyzdžiui, 10 GHz dažniu. 12,5 GHz pločio spektro juostos veikiai turėtų būti prieinamos praktiškai ir jų turėtų pakakti visos optinio signalo dažnių juostos užpildymui. Dėl to atsiranda reta galimybė sulieti silicio CMOS mikroelektroniką su optiniais tinklais – CMOS optinės jungtys galės tapti optiniais tinklais. Norint realizuoti reikiamas technologijas dar teks nemažai nuveikti, bet tokio susiliejimo numatomos perspektyvos galėtų būti labai svarbios ir elektronikos, ir fotonikos bendruomenėms.
