Свет обладает силой, достаточной для поворота переключателей в кремниевых чипах

Хон З. Тан

В 1867 году Жюль Верн представлял космические корабли, движимые давлением света. В 1971 Джеймс Клерк Максвелл предсказал, что такое давление в самом деле существует, а в 1900 Петр Лебедев подтвердил предсказание экспериментально. Но лишь 109 лет спустя инженеры нашли практическое применение этой странной силе.

Возможно, она просто слишком слаба. Давление света равняется мощности пучка, деленной на скорость света. Лазерная указка мощностью 1 милливатт, таким образом, давит на объект с силой в 3.3 пиконьютона. Вы могли бы поднять пенни лазерными указками — вам просто потребуется 30 миллиардов указок.

Однако такая слабость становится силой и преимуществом, если вы пытаетесь подтолкнуть что-нибудь размеров в нанометр и массой в пикограмм. Оптика для направления света в таком масштабе уже существует в формате миниатюрных волноводов, стяжек и светоделителей, все эти приборы сегодня обычно устанавливаются на подложку кремния на диэлектрике. Мы используем эти нанофотонные устройства для оптической обработки. Почему бы не использовать их и для сверхлегкого прикосновения, которое совершает сам свет? Почему бы не использовать свет в качестве привода, достигающего самого нутра интегральной схемы и смещающего крохотные переключатели, либо для управления электронными схемами, или, еще лучше, не перенаправлять сам свет и данные, которые он передает?

Такой брак наномеханики и нанофотоники будет гигантским шагом, приближающим нас к созданию оптических чипов. Это важно, поскольку пропускная способность света значительно выше, чем электричества, что позволит избавиться от узкого места, «бутылочного горлышка» при вычислениях: соединения между процессорами. Если свет сможет воздействовать напрямую на элементы платы без предварительной конвертации в электрический сигнал, вся система будет работать быстрее. Вы можете себе представить одновременный запуск многоядерных процессоров на чипе и при этом их более быструю и эффективную, чем сегодня, работу? И если мы действительно освоим технологию, оптически управляемые коммутаторы в конечном итоге могут вытеснить транзисторы, что приведет к началу эпохи полностью оптических компьютеров. В результате ускорение вычислительных процессов будет колоссальным, даже по меркам современной техники.

В начале 2007 года, вскоре после перехода на инженерный факультет в Йельском университете, я начал собирать команду для поиска способов использования света для управления кремниевыми устройствами в наномасштабе. Мы настраивались примерно на 20 лет исследований.

Работа над задачей началась с микроэлектромеханических схем, или MEMS, размер которых, как видно из названия, исчисляется в микрометрах. Современные инженеры нашли, что довольно легко построить резонаторы — по сути, крошечные вилки для настройки — такого масштаба; их просто нужно вложить в электросхемы. Схемы запускают резонаторы электромеханическими связями, обычно соединяя их с электрическими плитами — один фиксированный, другой на перемещаемой MEMS. В такой схеме ток, подаваемый между пластинами, изменяет существующий зазор между ними, что приводит к изменению емкости и в дальнейшем индуцирует ток, который колеблется в ответ на движение пластин. По сути, вы подаете постоянный ток и получаете в результате колебательный. В мобильном телефоне, например, такие осцилляторы используются в фильтрах, они выбирают нужный сигнал в диапазоне частот, принимаемых антенной.

Чем меньше размер плит и зазор между ними, тем быстрее будут колебания и выше частота, которая может быть выделена. В наномасштабах такие осцилляторы достигают частоты, необходимой для СВЧ связи. Однако высокие частоты приводят к повышению сложного сопротивления, и механического, и электрического. Поскольку структура крайне мала, импедансы зачастую очень отличаются от требуемых.

Насколько они не соответствуют? При использовании высокочастотной схемы мы обычно хотим получить сопротивление компонента около 50 Ом. Но при таких крошечных размерах вы обычно получаете сопротивление в миллионы раз больше, что означает, что ни один ваш сигнал не пройдет.

При переходе от MEMS к меньшим масштабам — наноэлектронномеханическим схемам (или NEMS) — возникают и другие проблемы, более фундаментальные. Во-первых, в сфере нано осцилляторы так быстры, что обычная электронная схема, с которой они работают, не может за ними угнаться. Во-вторых, сигнал осциллятора настолько слаб, что его могут заглушить случайные шумы и помехи, которые свойственны любой электронной схеме. NEMS едва слышны за шумом, уровень которого составляет всего тысячную долю от того, что производит обычная интегральная схема (IC).

И здесь приходит на помощь фотоника. Фотоны, в отличие от электронов, не взаимодействуют друг с другом и потом «обладают иммунитетом к перебиванию». Кроме того, поскольку свет обладает куда большей пропускной способностью, фотонные сигналы могут передавать значительно больше бит в секунду, чем электросигналы, при этом энергии рассеивается меньше. К тому же, фотоны легко направлять по чипу; вы просто прокладываете фотонный кабель — оптические нановолокна, по сути — по верхнему слою кремния на чипе. Наконец, раз мы работаем в исключительно оптической сфере, сопротивление не является проблемой.

Единственная большая проблема с этими чудесно невзаимодействующими фотонами в том, что раз они не взаимодействуют, нет очевидного способа использовать один из них для контроля над другим. И здесь приходит время использовать механическую силу света.

Иллюстрация: Эмили Купер

Легкое касание света

Есть два способа визуально отобразить градиент оптической силы, оказывающий давление в волноводе. Согласно уравнениям Максвелла [верхняя иллюстрация] асимметрия между открытым пространством вверху волновода и тонким зазором воздуха снизу искажает оптическое поле [желтый цвет], создавая нисходящую силу.

Или вы можете прибегнуть к объяснению из лучевой оптики [нижняя иллюстрация]. В обычном волноводе свет отражается одинаково сильно от верхних и нижних краев, но в этом случае близость подложки из оксида кремния с ее относительно высоким коэффициентом преломления заставляет лучи отклоняться. Потому они сильнее давят вниз, чем вверх.

Одна такая сила, конечно, является прямым радиальным давлением, как давление солнечного света на парус межзвездного корабля будущего. Тем не менее, вы не сможете собрать большой импульс таким путем, а тот, что вы соберете, будет давить лишь в одном направлении, что означает невозможность его использования и для давления, и для притягивания, а это важный момент (как мы объясним позже). Поэтому мы решили использовать другой тип оптической силы, тот, который часто очень бегло рассматривается в университетском курсе оптики. Он называется градиентом оптической силы и появляется в результате невероятно быстро исчезающей связи между световыми волнами [см. иллюстрацию, «Прикосновение света», выше].

Градиент оптической силы впервые был использован в 1970 году в «оптическом пинцете», разработанном для манипуляций над молекулами и действующем по принципу оптического микроскопа. Предположение о том, что такая сила может быть использована и в чипе, было выдвинуто в 2005 году группой Джона Джоаннопулоса из МТИ совместно с группой Федерико Капассо из Гарварда. Основываясь на теориях, выведенных из уравнений Максвелла, они пришли к выводу, что возможно сгенерировать градиент силы в пиконьютон, чего более чем достаточно для вибрации нанометрового осциллятора. Исследователи выполняли расчеты для устройства, где используются два параллельных волновода, светопроводящих канала, созданных для удержания волн заданной частоты таким образом, чтобы они могли пройти по направляющей с очень небольшими потерями. Даже при том, что два волновода хранили лучи по отдельности, связь между оптическими полями пучков лучей оказалась на удивление сильной.

Мы в 2007 году обнаружили, что могли бы применить тот же принцип для получения колебаний, используя один волновод вместо двух. В случае с одним волноводом оптическое поле вокруг него должно быть асимметричным, чтобы создать дисбаланс, необходимый для приложения результирующей силы.

По счастливому совпадению, вы можете создать такой волновод на чипе, вытравив оксид под плитой кремния и сформировав плитку, которая выглядит скорее как крохотный мостик. Эта плитка может качаться вперед и назад — то есть, может колебаться. Теперь во время прохождения света по волноводу он сталкивается с асимметрией: нижняя граница волновода отделена от подложки из оксида кремния тонким зазором воздуха — диэлектриком — тогда как верхняя граница соприкасается лишь с воздухом. Так что, как предсказывали уравнения Максвелла, чистая оптическая сила в направлении, перпендикулярном волноводу. Сила при этом достаточно мощная — ну, для наших целей, по крайней мере.

Возможно, проще будет наглядно продемонстрировать физику процесса в терминах лучевой оптики. В симметричном волноводе высокий коэффициент преломления в центре гарантирует, что световые лучи будут отражаться одинаково туда и обратно от верхней и нижней поверхности направляющей. Эта идеальная симметрия не дает чистой оптической силы. Однако при использовании кремниевой подложки на нижней части волновода лучи сильнее в направлении нижней поверхности, поскольку показатель преломления подложки — 1.45 — больше, чем у воздуха (1.00). Подумайте об этом таким образом: лучи тянутся сильнее вдоль нижней поверхности, при этом чистая сила направлена на подложку.

Так что мы получили и силу, и мобильный волновод для ее сбора. Следующий вопрос — как отправить свет на чип. В кремнии непросто сгенерировать фотоны, потому их придется подавать на кремниевый волновод с внешнего лазера по обычным оптическим волокнам. Реализовать эту схему оказалось сложнее, чем может показаться.

Кремниевые волноводы, как правило, достигают в ширину всего нескольких сотен нанометров, так что при длине волны в 1550 нанометров (стандарт для телекоммуникаций) они поддерживают лишь один оптический режим — стабильную схему, направляемую через волновод так, чтобы сигнал не прерывался. Но стандартное оптическое волокно в десятки раз шире. Когда вы подключаете такой волновод к такому волокну, режимы не совпадают должным образом, и передается лишь около 0.1 процента силы света. Этого недостаточно.

Вы можете использовать различные трюки, чтобы добиться соответствия волновода волокну, но они предполагают высокоточную микрообработку при работе в крайне малом масштабе и потому довольно сложны. И такие операции должны выполняться с каждым отдельным устройством.

Мы нашли решение получше. Аксель Шерер в своей лаборатории в Калифорнийском технологическом институте разработал несколько сцепок именно для этой цели: добиться совпадения световой волны в оптоволокне с волной в кремниевом волноводе. Такие муфты состоят из оптических решеток, собранных непосредственно на кремнии. Майкл Гохберг, впоследствии аспирант лаборатории Шерера, начал сотрудничать с нами в 2007 году и помогал нам с разработкой этих муфт.

Эти решетчатые муфты имеют структуру рупора с отверстиями на обеих сторонах: широкое подсоединяется к оптическому волокну, а противоположная сторона с поперечным сечением в тысячу раз меньше — к волноводу. В этой схеме волокна расположены в верхней части пластины, и вы можете многократно проверять сотни устройств. Вы можете запустить свет по требованию, пустив его на чип, как по трубопроводу, по желанию изгибая, разделяя и перегруппировывая лучи. И поскольку муфта обеспечивает прохождение света по волноводу к любому устройству на чипе, потери света из-за дифракции очень малы.

Механическим устройствам требуется надлежащее крепление, чтобы они могли долго колебаться без слишком больших потерь энергии. Однако от такого крепления в фотонике лучше отказаться, поскольку обычно оно нарушает направленную световую волну, вызывая рассеивание фотонов и потери. Нам пришлось придумать несколько новых подходов, чтобы справиться с этой проблемой.

Во-первых, мы создали интерфейс между стационарным и мобильным волноводом, обеспечив жесткую механическую опору и таким образом добившись фокусировки световых волн. Эта структура называется многорежимной интерференционной соединительной муфтой. Эффективно работая в качестве линзы на плоскости, она позволяет добиться потерь света меньше 1 дБ.

Затем на кремниевом чипе мы собрали наномеханический интерферометр. Это устройство было необходимо нам не только потому, что его способность очень чутко улавливать движение казалась полезной: оно могло помочь нам отслеживать, что происходит в различных наномеханических системах, которые мы разработали.

Иллюстрация: Эмили Купер

Датчик движения:

Фотонные схемы формируют интерферометр в масштабе чипа. Движение обычно изменяет фазы световой волны, позволяя судить о колебаниях резонатора.

Мы создали интерферометр Маха-Цандера, который делит луч света на два равных [см. иллюстрацию, «Детектор движения», выше]. Один луч проходит через подвижную часть устройства, которое мы создаем — через мобильную, похожую на мостик часть осциллятора, который мы описали выше. Другой луч является эталонным. Движение чипа вызывает вибрацию подвижной части, при этом изменяется эффективный показатель преломления на пути луча, и таким образом фазы луча смещают относительно эталонного. Когда оба луча вновь соединяются, их волны смешиваются, образуя паттерн, по которому мы можем судить о степени движения.

Наш интерферометр на чипе может измерять движение с чувствительностью 2 x 1014 метра в диапазоне частот около 1 Гц. Пружинная постоянная наших устройств — степень жесткости — обычно находится в пределах от 1 до 10 ньютонов на метр. Таким образом, чувствительность к силе находится на уровне 0.02 пиконьютонов, этого достаточно, чтобы работать с градиентом оптической силы — если он существует.

К концу 2007 года мы создали и переработали устройство — вместе с интерферометром, решетками и поддерживающей муфтой — множество раз. Мы получали достаточное количество света через измерительную систему, и почти все компоненты были на своем месте. Тем не менее, мы все еще не видели эффекта от оптической силы. В этот момент к нашей группе неожиданно присоединился новый талант: Мо Ли, давний друг и соратник, которого я знал еще по аспирантуре в Калифорнийском технологическом институте, где мы оба работали с Майклом Роукесом, пионером в разработке наноэлектромеханических систем. Мы также пригласили Вольфрама Перниса, одаренного разработчика фотонных устройств, который после получения докторской степени в Оксфорде присоединился к нам в качестве стипендиата.

В январе 2008 Ли соединил вместе множество чипов с мобильными лучами, однако он не увидел доказательств оптической силы в вибрации этих лучей. Это превратилось в игру вслепую. Мы не могли знать, отсутствует сила или мы просто не можем ее обнаружить.

Потому мы решили разделить проблемы создания и обнаружения оптической силы. Чтобы подтвердить работоспособность интерферометра, мы использовали метод грубой силы: ставили тестовый чип на пьезоэлектрический диск, запускали его и механически трясли кремниевый фотонный интерферометр. Интерферометр четко показывал механический резонанс.

Пернис трудился круглосуточно, разработал новый вариант решетчатой муфты и многорежимной интерференционной соединительной муфты, которые позволяли снизить потери при передаче и, следовательно, обеспечивали гораздо большую чувствительность. Наконец, мы смогли обнаружить наномеханический резонанс на 10 мегагерц без использования пьезодиска. Потому мы решили, что резонанс вызван исключительно оптической силой.

Сила сигнала была огромна. При небольшом увеличении интенсивности луча лазера резонанс заметно рост, зависимость была нелинейной. Такой результат позволял допустить, что мы можем создавать силу, которая больше, чем нужно нам для передвижения пикограммовых частей, из которых состоит наномашина. Сила приведения в движение оказалась такой же эффективной, как и обычно применяемая в MEMS устройствах, подобных тем, что включают инерциальные датчики вроде используемых в гироскопах. Конечно, наши NEMS системы работали на гораздо более высокой частоте.

Следующий вопрос, который встал перед нами — знак силы. Теория предсказывает, что градиент оптической силы должен быть притягивающим или отталкивающим (действовать так же, как электрически заряженные объекты, которые притягивают или отталкивают друг друга в зависимости от знака заряда), в зависимости от относительной фазы взаимодействия световых волн. Тем не менее, наши устройства демонстрировали только силу притяжения. Другим словами, они были «монополярными».

Чтобы создать биполярное устройство, мы вернулись к изначальной теории МТИ и Гарварда, которая предполагает работу с оптической силой между двумя волноводами. В такой схеме два волновода располагаются параллельно, сторона к стороне, и теория предсказывает, что волны из каждого волновода будут накладываться, давая связанный (симметричный) или антисвязанный (асимметричный) режим. Когда волны в фазе, оптическая сила является притягивающей; когда они вне фазы, сила будет отталкивающей.

Чтобы продемонстрировать эти эффекты, мы разработали схему в виде бабочки с двумя «крыльями». В левом крыле свет равно разделен по верхнем и нижнему ответвлению, верхний волновод при этом длиннее, чтобы задержать свет. Эта задержка сдвигает фазу световых волн. Затем мы направляем волны из обеих частей для объединения в центр бабочки, где два подвешенных волновода формируют наномеханические структуры. Если к этому моменту световые волны находятся вне фазы, рекомбинация должна дать отталкивающую силу. Что касается аналогичного правого крыла бабочки, его задача — создать полностью симметричную структуру. Таким образом, когда свет проходит через правое крыло, фаза может быть обращена и относительная разница фаз между двумя крыльями сохраняется.

Если разница оптического пути между двумя потоками кратно половине длины волны, волны придут к наномеханическому устройству в фазе. Результатом должна стать сила притяжения. Если задержка нечетна, вы должны получить отталкивающую силу.

Все работало согласно теории. Более того, мы обнаружили, что регулировка относительной фазы взаимодействующего волновода позволяет нам настраивать силу, изменяя ее с отталкивающей на притягивающую и наоборот. (В практических экспериментах мы регулировали длину волны источника света. Это тождественно регулировке задержки фазы в крыльях.) Таким образом мы продемонстрировали предсказанные свойства градиента оптической силы. Что еще более важно: поскольку биполярная сила может либо толкать, либо тянуть, она позволяет нам манипулировать компонентами в обоих направлениях. Таким образом, мы получаем полный контроль.

Мы получили этого Тяни-Толкая в конце 2008 года. Теперь мы не были ограничены приведением вибрирующего луча в движение, мы могли толкнуть наномеханический рычаг в одном направлении — например, чтобы открыть оптический переключатель и затем снова вернуть его в исходное положение, закрыв.

Струны арфы:

Единственный фотонный источник питает 10 нановолноводов в консоли, каждый — разной длины и потому вибрирует с собственной скоростью, как струна арфы. Каждая консоль может зафиксировать отклонение всего в долю диаметра атома. Вместе они могут измерить сложный паттерн движения.

Лучи волновода доказали, что оптическую силу можно использовать для движения переключателей в кремниевых оптических схемах. Теперь мы расширим этот принцип для применения в других NEMS устройствах. Недавно мы встроили ряд консолей в фотонные схемы, заставили их резонировать и зафиксировали все резонансы сразу [см. иллюстрацию,  «Струны арфы», выше]. Мы сделали это, пустив луч света по волноводу, который разделяется на дополнительные каналы.

По такой схеме мы можем интегрировать множество датчиков на единственный фотонный источник. Конструкция полностью совместима с процессами на уровне целых полупроводниковых пластин, используемых для производства чипов, так что большие объемы могут производиться массово, это будет просто и дешево.

Взаимодействие света-силы переводит разработку NEMS устройств на уровень настоящих схем, делая возможными все виды применения. Такое устройство будет обнаруживать настолько слабые сигналы, что способно измерить вес молекул на нем. Оно действительно может взвесить молекулы, не только обнаружить их, поскольку будет измерять изменения в частоте резонатора.

Кроме того, мы предполагаем использовать наномеханику и нанофотонику на данном чипе для достижения двухрежимного зондирования, то есть работы в качестве оптического спектрометра и резонансного датчика массы. Если у вас есть флюоресцентная молекула, вы можете использовать спектрометр для определения молекулы по ее цвету, а с помощью резонансного датчика массы вы можете узнать, сколько у вас молекул.

Конечно, вы можете также использовать давление света для обработки аналоговых радиосигналов на более высоком уровне, чем это возможно сегодня, комбинируя оптическую и механическую фильтрацию. Оптическая фильтрация, например, может пропускать только микроволны, а механическая фильтрация — при использовании колебательных лучей, о которых мы говорили ранее — может работать на отсеивание более низких частот.

Мы можем представить использование оптической силы для перенаправления света «на лету», что позволит фотонной схеме работать с ослепительной скоростью, намного превосходящей ту, что могут обеспечить электронные системы. Эта возможность — начало долгого пути к мечте о полностью оптическом компьютере, который сможет использовать огромную пропускную способность света на полную. Возможно, если вы оставите жесткий диск дома, вы сможете получить доступ к нему на комфортной скорости через Интернет — если тогда мы еще будем пользоваться жесткими дисками!

Самое узкое место сегодняшних высокопроизводительных компьютеров — использование электронных сигналов для управления фотонами. Пределом будет только небо, когда мы наконец сможем использовать свет для направления света.

Статья была впервые опубликована под названием «Да пребудет с тобой Сила света».

Об авторе

Хон З. Тан получил награду Национального научного фонда за использование давления света для работы с наномеханическими устройствами, работу, которую он описывает в статье «Да пребудет с тобой Сила света» [с. 46]. Награда в размере $400 000 на пять лет предназначена для поощрения молодых ученых. Тан приехал в Йельский университет в 2006 году в качестве ассистента профессора электрической и механической инженерии.