إنتل وجامعة كاليفورنيا تطوران أول ليزر سيليكوني هجين في العالم

تمكن الباحثون لدى جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا (UCSB) وباحثو شركة إنتل من ابتكار أول ليزر سيليكوني هجين (Hybrid Silicon Laser) يعمل بالكهرباء في العالم، باستخدام عمليات تصنيع الرقاقات السيليكونية القياسية. وهذه التقنية تزيل إحدى العقبات الكبرى التي كانت تعترض إنتاج أجهزة ضوئية مرتكزة إلى السيليكون منخفضة التكلفة وذات معدلات عالية لنقل البيانات، يمكن استخدامها في الحواسيب ومراكز البيانات والتجهيزات المكملة لها مستقبلاً.

وقد طوَّر الباحثون أسلوباً للجمع في رقاقة واحدة بين خصائص إصدار الضوء لمادة فوسفيد الإنديوم مع إمكانات توجيه الضوء لمادة السيليكون، فعند تطبيق الجهد الكهربائي على الرقاقة، يدخل الضوء المولَّد من الطبقة التي تستخدم فوسفيد الإنديوم، ضمن الموجِّه الموجي السيليكوني حيث يتم احتواؤه والتحكم به، ما يعطي الليزر السيليكوني الهجين.

يقول ماريو بانيشيا، مدير مختبر التقنيات الضوئية في إنتل: “لقد أثمر التعاون الوثيق بين جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا وإنتل عن إنجاز هذا التطور المهم، ومع أننا لا نزال بعيدين عن الحصول على منتجات تجارية من هذه التقنية، إلا أننا نعتقد أنه يمكننا دمج عشرات أو حتى المئات من الليزر السيليكوني الهجين مع مكونات الضوئيات السيليكونية الأخرى ضمن رقاقة واحدة. وسيتيح ذلك في المستقبل إنشاء ’أنابيب بيانات’ ضوئية في الحواسيب المستقبلية تمتاز بانخفاض تكلفتها وسعات نقلها الهائلة التي تصل إلى مستوى التيرابت في الثانية، ما يسمح بتطوير عدد كبير من التطبيقات الجديدة للحوسبة عالية السرعة”.

ويعلق البروفيسور جون باورز من جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا على هذا الإنجاز فيقول: “لقد أظهر برنامجنا البحثي مع إنتل المدى الذي يمكن أن يصل إليه التعاون بين الجهات الأكاديمية والصناعة لتحقيق التقدم في العلوم والتقنية، فبالجمع بين خبرة جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا في فوسفيد الإنديوم وخبرة إنتل في الضوئيات السيليكونية، استطعنا تقديم بنية جديدة لليزر ترتكز على نظريات للربط يمكن تطبيقها على مستوى الشرائح السيليكونية (wafers) أو الشرائح الجزئية أو قوالب الرقاقات، ويمكن أن تمثل حلاً لدمج الخلايا الضوئية في منصات السيليكون وإنتاجها بكميات كبيرة. ويعتبر ذلك إيذاناً بانطلاق رقاقات السيليكون الضوئي عالية التكامل والتي يمكن إنتاجها بكميات كبيرة وتكلفة منخفضة”.

التفاصيل التقنية
يُستخدم السيليكون اليوم على نطاق واسع في إنتاج التجهيزات الإلكترونية الرقمية بكميات كبيرة وأسعار مقبولة، ومن الممكن استخدامه أيضاً لتوجيه واكتشاف وضبط بل وحتى تضخيم الضوء، إلا أنه لا يستخدم لتوليد الضوء بكفاءة. وعلى النقيض من ذلك، يشيع استخدام الليزر المرتكز إلى فوسفيد الإنديوم اليوم في أجهزة الاتصالات، لكن لا بد من تجميعه ورصفه بشكل منفرد. وقد جعلت عملية التجميع والرصف تلك بناء المكونات الضوئية بكميات كبيرة أمراً مكلفاً ويستغرق الكثير من الوقت، بما لا يتناسب مع صناعة الحواسيب الشخصية القائمة على إنتاج المكونات بكميات كبيرة وتكلفة منخفضة.

ويشمل التصميم المبتكر لليزر السيليكوني الهجين استخدام مواد تعتمد على فوسفيد الإنديوم لتوليد الضوء وتضخيمه، في حين يستخدم الموجِّه الموجي السيليكوني لاحتواء الليزر والتحكم به. وقد كان المفتاح الرئيس لتصنيع الرقاقة هو استخدام بلازما الأوكسجين منخفضة الحرارة (غاز الأوكسجين المشحون كهربائياً) لإنشاء طبقة أكسيد رقيقة، سماكتها نحو 25 ذرة، على أسطح كل من مادة فوسفيد الإنديوم ورقاقة السيليكون.

وعند تسخين طبقات الأكسيد وضغطها فإنها تعمل كما لو كانت نوعاً من “الغراء الزجاجي” الذي يدمج المادتين في رقاقة واحدة. وعند تطبيق الجهد الكهربائي على الرقاقة، فإن الضوء المولَّد في المادة المصنَّعة من فوسفيد الإنديوم يمر مباشرة عبر طبقة الغراء الزجاجي نحو الموجِّه الموجي لرقاقة السيليكون. ويعتبر التصميم الإفرادي للموجِّهات الموجية السيليكونية أمراً بالغ الأهمية في تحديد أداء الليزر السيليكوني الهجين، وسيساعد في بناء رقاقات قادرة على توليد أطوال موجية محددة في الإصدارات المستقبلية.

التعاون
يأتي إعلان اليوم بناءً على منجزات إنتل الأخرى عبر برنامجها البحثي طويل الأجل، والهادف إلى إضافة السيليكون إلى الخلايا الضوئية باستخدام عمليات تصنيع السيليكون القياسية. وفي العام 2004، كان باحثو إنتل أول من قدم جهازاً لضبط الضوء يرتكز إلى السيليكون بعرض حزمة يزيد عن 1 جيجاهرتز، أي أسرع بنحو 50 مرة من النماذج السابقة للضبط بالسيليكون. وفي العام 2005، كان باحثو إنتل أيضاً أول من كشف عن إمكانية استخدام السيليكون لتضخيم الضوء، وقاموا بإنتاج الليزر على الرقاقة بموجات مستمرة اعتماداً على “تأثير رامان”.

يذكر أن البروفيسور جون باورز هو أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الحواسيب في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا، وقد عمل على مواضيع الليزر والمواد المرتكزة إلى فوسفيد الإنديوم لأكثر من 25 عاماً. وتركز أبحاثه حالياً على تطوير أجهزة إلكترونية ضوئية بمعدلاتٍ لنقل البيانات تصل إلى 160 جيجابت في الثانية، وعلى تقنيات لدمج المواد غير المتشابهة معاً في سبيل ابتكار أجهزة جديدة ذات أداء أفضل.