Nästa tekniksprång kommer med fotoniken

Alla känner på något sätt till elektroniska integrerade kretsar, även kallade IC-kretsar eller chip. De finns i nästan alla elektriska apparater vi använder och påverkar många aspekter av vårt sociala, yrkesverksamma och kulturella liv.

Men få känner till den ljusbaserade motsvarigheten – fotonikens integrerade kretsar – och att Sverige gjort pionjärinsatser inom denna teknik, som kallas PIC (photonic integrated circuits).

Termen fotonik kan ses som en analogi till elektronik, där den senare termen syftar på användningen av partikeln elektronen och den förra på användningen av elektromagnetismens kvantpartikel fotonen, det vill säga ljus.

En integrerad krets består av komponenter som tillverkas tillsammans, som en enda enhet – till skillnad från traditionella kretsar där komponenterna tillverkas separat och sedan ansluts till varandra. Integreringen medger stora kostnadsbesparingar samt unika möjligheter till hög komplexitet på grund av miniatyrisering av de ingående komponenterna.

Inom informations- och kommunikationsteknik har elektronik och fotonik snarare kompletterande än konkurrerande egenskaper. De elektroniska integrerade kretsarnas huvuduppgift är att lagra och bearbeta information, medan de fotoniska integrerade kretsarna och vågledarna används för överföring av information, och då ingår även att koppla om (switcha) informationen till olika mottagare – människor eller datorterminaler.

Redan nu sker praktiskt taget all långdistanskommunikation med hjälp av fotonik i form av optiska fibrer. Men PIC är mer aktuellt än någonsin eftersom tekniken är en förutsättning för utvecklingen av datacenter – den utgör till exempel själva kärnan i molntjänster som Facebook – samt för stora elektroniska informationssystem i allmänhet. Fotoniken har en enorm överföringskapacitet och är dessutom energieffektiv. Och det behövs, för datacenter kan sluka mängder med energi: Facebooks anläggning i Luleå kräver cirka 100 megawatts eleffekt för att fungera. Det motsvarar ungefär elförbrukningen i en medelstor svensk stad, eller drygt 50 000 villor i vår del av världen. Men endast en liten del av denna energi blir till nyttiga optiska signaler som lämnar centret. Merparten går förlorad som spillvärme – man eldar för kråkorna. Här kan utvecklingen inom fotoniken spela en stor roll.

Fotonik i form av aktiva optiska kablar har redan börjat användas i datacenter. I en aktiv optisk kabel omvandlas en elektrisk signal till ljus i ena änden, för att sedan åter omvandlas till en elektrisk signal i den andra änden. Kablarna sparar utrymme, erbjuder högre bandbredd, längre räckvidd, och väsentligt minskade effektkrav jämfört med dagens kopparkablar. Det verkar nästan för bra för att vara sant – aktiva optiska kablar är en av de tekniska innovationer som gör att deras föregångare, kopparkablarna, ser föråldrade och osofistikerade ut.

Men användningen av fotonik planeras nu även för kommunikation mellan elektroniska chip, och eventuellt kommer tekniken att kunna användas också inuti chip. Här skulle fotonikens överlägsna energieffektivitet och överföringskapacitet ge enorma fördelar. Överföringskapaciteten kan beskrivas i termer av något så krångligt som den ”spatiella bandbreddstätheten” vars enhet är transmissionsbandbredd i gigabit per sekund, räknat per kvadratmikrometer av den optiska vågledarens tvärsnittsyta. Men om fotoniken ska kunna ta plats inne i chip och i andra minimala strukturer krävs nya mer funktionella komponenter i nanoformat, det vill säga med dimensioner ner till tiotals miljarddels meter. Att skapa sådana komponenter är en utmaning. Det är nämligen avsevärt mycket svårare att miniatyrisera fotoniska kretsar än elektroniska kretsar. Orsakerna till detta blir uppenbara när man jämför hur de olika kretsarna är uppbyggda.

Elektroniska IC-kretsar tillverkas huvudsakligen av ett enda material – kisel – och består främst av transistorer. Det är i dag fullt möjligt att tillverka en transistor som inte är större än 20 nanometer.

En fotonisk integrerad krets, PIC, kan baseras på flera olika material som glas, kvarts, litiumniobat, grafen, polymerer samt legeringar från grupperna 3 och 5 i det periodiska systemet. På senare tid har även elektronikens material, kisel, börjat användas. Mångfalden av material beror på att PIC kan innehålla många olika slags komponenter, bland annat ljuskällor (vanligen laser), modulatorer som lägger information på den optiska bärvågen, switchar som styr ljuset i rummet, optiska filter som väljer ut våglängder samt optiska signalförstärkare och optiska detektorer, där de senare omvandlar ljuseffekten till elektriska signaler (se grafik). De minsta av dessa komponenter är i bästa fall mikrometerstora, men ofta väsentligt större – alltså mycket större än elektronikens minsta komponenter som är i nanoformat.

För att minska storleksskillnaden mellan integrerad elektronik och integrerad fotonik har olika koncept för kompakt kiselnanofotonik utvecklats av Intel, IBM, HP och andra ledande forskningslaboratorier och industrier. Men kiselfotoniken är fortfarande för stor för att kunna användas på nanonivå, som inuti chip. Det finns dock en tänkbar lösning för verklig nanofotonik: ljusöverföring med så kallad ytplasmonvågledning.

Ytplasmonvågledning är ett komplicerat fenomen, som blir lättare att förstå om man känner till hur konventionell fiberoptik fungerar. De två huvuddelarna i en optisk fiber är kärnan och manteln. Kärnan är den inre delen, där ljuset leds. Manteln omger kärnan och håller kvar ljuset inuti kärnan. Kärnans brytningsindex är större än mantelns, vilket leder till att ljusstrålar inne i kärnan som träffar gränsytan mot manteln med en vinkel större än den ”kritiska vinkeln” reflekteras tillbaka in i kärnan – så kallad totalreflektion. Man kan säga att ljuset rör sig i ett sicksackmönster inuti fiberkabeln.

Den konventionella optiska vågledaren består av elektriskt isolerande material, så kallad dielektrika. Men inom plasmoniken låter man i stället ljuset fortplantas i gränsytan mellan en metallfilm – vanligen av guld eller silver – och en isolator. Det är metallens fria elektroner, ledningselektronerna, som möjliggör detta. De får ljuset att ”haka fast” i gränsytan och fortplantas längs med denna.

Ytplasmoner är således en koppling mellan optiska fält och elektroner. Ytplasmoner kan färdas i metall-dielektriska strukturer med dimensioner och ljusfältsutbredning som motsvarar verklig nanofotonik.

Tyvärr medför plasmoniken – i sin mest extrema nanokonfiguration – att den optiska signaleffekten snabbt dämpas: man kan tappa halva signaleffekten på sträckor av några mikrometer. En variant på samma tema är så kallade hybrid-plasmoniska strukturer där metallen delvis ersätts med kisel, vilket möjliggör utveckling av nanostrukturer med avsevärt lägre optiska förluster. Tekniken för dessa strukturer är mycket krävande – endast få laboratorier i världen kan visa experimentella resultat. Avdelningen för fotonik med mikrovågsteknik vid Kungliga tekniska högskolan, KTH, i Stockholmsförorten Kista tillhör denna exklusiva skara.

Forskarna på denna avdelning har tillverkat världens minsta fotoniska skivresonator. Den kan utföra viktiga funktioner i PIC, och detta i verklig nanostorlek. Skivresonatorn är en tunn cylinder där ljuset leds längs cylinderväggarna och resonans erhålls när ljusvåglängden är sådan att ljusfältet ”biter sig själv i svansen” med så kallad konstruktiv interferens – det innebär att ljusvågorna förstärker varandra.

Fenomenet kan jämföras med den ljudeffekt som kan uppstå i runda eller ovala rum, som i det berömda viskande galleriet i Saint Paul’s cathedral i London. Här färdas ljudvågorna utefter de rundade väggarna, så att en viskning kan höras på långt avstånd från ljudkällan.

Skivresonatorn är kopplad till en optisk vågledare där ljus kopplas in från sidan och beroende på våglängd passerar förbi eller absorberas i skivan. Det är alltså ett optiskt miniatyrfilter eller – om skivmaterialets brytningsindex kan styras – en modulator. En skivresonator kan alltså utföra två centrala funktioner i PIC, i verklig nanostorlek.

Miniatyriseringen möjliggörs av en unik struktur framställd med så kallad elektronstrålelitografi, där elektronstrålar används för att rita mönster i en yta som sedan fungerar som mask för etsning och framställning av den slutliga skivstrukturen. Tack vare elektronstrålens extremt lilla diameter (mycket mindre än ljusvåglängdens ungefärliga 1 mikrometer) kan man på detta sätt framställa nanostrukturer, som skivresonatorn, med stor precision.

I skivresonatorn cirkulerar ljuset i periferin av kvartsskiktet som omges av en sandwich-struktur uppbyggd av guld- och kiselskikt (se grafik). En större PIC-krets bestående av sådana skiv- eller ringresonatorer kan användas inuti elektroniska chip, för optisk sammanbindning av elektroniska komponenter. En sådan konstruktion kallas även Manhattan street structure eftersom den liknar Manhattans gatunät.

Hittills har vi huvudsakligen beskrivit fotonikens tillämpningar inom informations- och kommunikationsteknologin. Det är inom detta område som fotoniken har fått sitt stora genombrott; den optiska fiberoptiken belönades med Nobelpriset 2009. Men det finns många andra tänkbara tillämpningar av PIC, bland annat för sensorer som kan användas inom biologi och medicin.

Ett sådant exempel är användningen av just skivresonatorn som biosensor. Skivresonatorns väggar täcks då med speciella receptorer – molekyler som är designade för att identifiera specifika ämnen. Om skivresonatorn sänks ner i en lösning som innehåller det specifika ämnet så uppstår en bindning mellan receptormolekylerna och ämnet. Då förändras brytningsindex i skivresonatorns omgivning. Det förändrar i sin tur skivresonatorns resonansfrekvens och överföringsegenskaper på ett sätt som är unikt för det ämne som kan binda till receptormolekylen. På så sätt kan även mycket små koncentrationer av det speciella ämnet upptäckas. Experimentellt har man visat goda möjligheter att identifiera olika typer av virus och cancerceller.

Om vi nu blickar framåt kan vi konstatera att en stor utmaning för fotoniska integrerade kretsar är att åstadkomma en elektronikliknande utveckling, i den meningen att komplicerade och avancerade kretsar kan standardiseras och massproduceras till låga kostnader. Detta ställer stora krav på generiska byggblock och att man, som inom elektroniken, har tillverkningsanläggningar – så kallade fabbar – där olika företag kan utnyttja samma utrustning och konstruktionsverktyg.

När det gäller den nödvändiga miniatyriseringen erbjuder ytplasmonik en lösning, under förutsättning att man får bukt med de stora effektförlusterna. Hybridplasmoniken har också stor utvecklingspotential. En annan ny och lovande metod är att utnyttja kvantpunkter – en sorts artificiella molekyler som sitter i rad med något tiotal nanometers avstånd från varandra, så kallad optisk närfältskoppling. De kommer då att fungera som en optisk vågledare, och i princip kunna utföra alla funktioner som beskrivits ovan. Här sker forskning på Avdelningen för teoretisk kemi och Avdelningen för material- och nanofysik vid KTH, i samarbete med Tokyo universitet.

Svensk forskning har traditionellt varit mycket stark inom fotonikområdet. Detta beror till stor del på framsynta forskningsinvesteringar under 1980- och 1990-talet, med insikten att forskning kräver långa tidsperspektiv. Den svenska satsningen har medfört att flera avknoppningsföretag har skapats och även lockat multinationella storföretag att etablera forskningscentrum i Sverige. I den nuvarande brytningstiden har Sverige således en unik chans att vara med och leda utvecklingen inom ett brett spektrum av integrerad fotonik.