- ภายในชิปโฟโตนิกส์แบบบูรณาการ สามารถเปลี่ยนสีเลเซอร์หนึ่งสีให้เป็นแสงที่มองเห็นได้หลายสีและอินฟราเรดหลากหลายช่วง พร้อมสร้าง ความยาวคลื่นจำเพาะ ที่ต่างกันได้ด้วยการออกแบบวงจรเพียงอย่างเดียว
- ใช้วิธีซ้อนชั้นลิเทียมไนโอเบตและ tantala แบบสามมิติบน เวเฟอร์ซิลิคอน เพื่อให้การแปลงสีของแสงและการควบคุมทางไฟฟ้าเกิดขึ้นร่วมกันบนชิปเดียว
- นาฬิกาควอนตัม และ คอมพิวเตอร์ควอนตัม ต้องการสีเลเซอร์เฉพาะที่เหมาะกับอะตอมแต่ละชนิด แต่ข้อจำกัดด้านขนาด ต้นทุน และการใช้พลังงานของอุปกรณ์เดิมเป็นอุปสรรคสำคัญต่อการใช้งานภาคสนาม
- บนเวเฟอร์หนึ่งแผ่นได้รวมชิปขนาดประมาณเล็บมือราว 50 ชิ้น และวงจรโฟโตนิกส์รวม 10,000 วงจร โดยแต่ละวงจรให้สีเอาต์พุตต่างกัน และในห้องแล็บได้ยืนยันการทำงานที่แปลงอินฟราเรดเป็นแสงที่มองเห็นได้
- การมีเส้นทางการผลิตที่อาจนำไปสู่ ระบบโฟตอนิกส์ราคาถูกและพกพาได้ ช่วยขยายโอกาสการใช้งานไม่เฉพาะเทคโนโลยีควอนตัม แต่รวมถึงการสื่อสารระหว่างชิปสำหรับ AI และ จอแสดงผลความเป็นจริงเสมือน
ความก้าวหน้าของวงจรโฟโตนิกส์แบบบูรณาการ
- สร้าง ชิปโฟโตนิกส์ โดยซ้อนลวดลายที่ซับซ้อนของวัสดุพิเศษบน เวเฟอร์ซิลิคอน เพื่อให้สามารถเคลื่อนย้ายแสงและประมวลผลข้อมูลได้เหมือนชิปอิเล็กทรอนิกส์
- ชิปนี้เป็นโครงสร้างที่ใช้ส่วนประกอบเชิงแสง เช่น เลเซอร์ เวฟไกด์ ฟิลเตอร์ และสวิตช์ เพื่อส่งผ่านและประมวลผลแสงภายในวงจร
- อาจช่วยเทคโนโลยีเกิดใหม่อย่าง AI, คอมพิวเตอร์ควอนตัม และนาฬิกาอะตอมเชิงแสง
- วงจรที่ใช้ โฟตอน แทนอิเล็กตรอนมีคุณสมบัติแตกต่างจากไฟฟ้าในการส่งและประมวลผลข้อมูล
- โฟตอนเคลื่อนผ่านวงจรได้เร็วกว่ามากเมื่อเทียบกับอิเล็กตรอน
- แสงเลเซอร์เป็นองค์ประกอบจำเป็นในการควบคุมเทคโนโลยีควอนตัม เช่น นาฬิกาอะตอมเชิงแสงและคอมพิวเตอร์ควอนตัม
- อุปสรรคสำคัญอย่างหนึ่งต่อการขยายการใช้งานโฟโตนิกส์แบบบูรณาการคือ ข้อจำกัดด้านความยาวคลื่นของเลเซอร์
- เลเซอร์คุณภาพสูง ขนาดเล็ก และประสิทธิภาพสูง มีอยู่เพียงไม่กี่ความยาวคลื่น
- เลเซอร์สารกึ่งตัวนำเหมาะอย่างยิ่งกับการสร้าง อินฟราเรด 980 นาโนเมตร ซึ่งเป็นสีที่อยู่นอกช่วงการมองเห็นของมนุษย์เล็กน้อย
- นาฬิกาอะตอมเชิงแสงและคอมพิวเตอร์ควอนตัมต้องการเลเซอร์อีกหลายสีที่แตกต่างกัน
- เลเซอร์แบบเดิมที่สร้างสีเหล่านี้มีขนาดใหญ่ ราคาแพง และใช้พลังงานมาก ทำให้เทคโนโลยีควอนตัมเหล่านี้แทบถูกจำกัดอยู่ในห้องปฏิบัติการเฉพาะทางเพียงไม่กี่แห่ง
- หากรวมเลเซอร์เข้าไว้ในวงจรบนชิป ก็มีความหวังว่าจะเปลี่ยนไปสู่ เทคโนโลยีควอนตัมที่ราคาถูกลงและพกพาได้
- เปิดโอกาสให้ขยายไปสู่การใช้งานจริงนอกห้องแล็บ
วิธีการซ้อนหลายชั้น
- ชิปโฟโตนิกส์รุ่นใหม่นี้ผลิตด้วย โครงสร้างแบบซ้อนเป็นชั้นๆ
- จุดเริ่มต้นคือเวเฟอร์ซิลิคอนมาตรฐานที่เคลือบด้วยซิลิคอนและซิลิกอนไดออกไซด์ (แก้ว) รวมถึง ลิเทียมไนโอเบต ที่สามารถเปลี่ยนสีของแสงที่เข้ามาได้
- เพิ่มชิ้นส่วนโลหะเพื่อให้สามารถ ควบคุมด้วยไฟฟ้า วิธีที่วงจรจะแปลงแสงสีหนึ่งไปเป็นอีกสีหนึ่ง
- สร้างอินเทอร์เฟซโลหะ-ลิเทียมไนโอเบตแยกต่างหากเพื่อให้เปิดและปิดแสงภายในวงจรได้อย่างรวดเร็ว
- ความสามารถนี้เป็นองค์ประกอบสำคัญของการประมวลผลข้อมูลและการกำหนดเส้นทางความเร็วสูง
- ชั้นบนสุดใช้วัสดุไม่เชิงเส้นชนิดที่สองคือ แทนทาลัมเพนทอกไซด์ (tantala)
- tantala รับเลเซอร์หนึ่งสีเป็นอินพุต แล้วแปลงเป็นสีต่างๆ ได้ตลอดรุ้งของแสงที่มองเห็นและความยาวคลื่นอินฟราเรดอีกช่วงกว้าง
- ทีมพัฒนาเทคนิคสร้างวงจรจากวัสดุนี้โดยไม่ต้องให้ความร้อนมาหลายปี จึงสามารถเคลือบบนวัสดุอื่นได้โดยไม่ทำให้เกิดความเสียหาย
- สร้างชิปเดี่ยวที่จัดลวดลายวัสดุต่างชนิดกันด้วยการ ซ้อนสามมิติ เพื่อกำหนดเส้นทางแสงระหว่างชั้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ
- เป็นการรวมความสามารถในการแปลงแสงของ tantala เข้ากับความสามารถในการควบคุมของลิเทียมไนโอเบต
- จุดแข็งสำคัญคือสามารถเพิ่ม tantala เข้าไปในวงจรที่มีอยู่เดิมได้
- ในเวเฟอร์หนึ่งแผ่นรวม ชิปขนาดประมาณเล็บมือ 50 ชิ้น และ วงจรโฟโตนิกส์รวม 10,000 วงจร
- แต่ละวงจรให้สีจำเพาะที่แตกต่างกัน
- สามารถสร้างสีได้หลากหลายด้วยการออกแบบวงจรเพียงอย่างเดียว
ความต้องการเลเซอร์ที่ปรับให้เหมาะกับแต่ละความยาวคลื่น
- นาฬิกาควอนตัมและคอมพิวเตอร์ควอนตัมมักใช้ ชุดเรียงอะตอม ในการเก็บและประมวลผลข้อมูล
- อะตอมแต่ละชนิดต้องการเลเซอร์ที่ตรงกับระดับพลังงานควอนตัมภายในของมัน
- อะตอม รูบิเดียม ตอบสนองต่อแสงสีแดงที่ 780 นาโนเมตร
- เป็นตัวอย่างอะตอมที่ใช้กันบ่อยในคอมพิวเตอร์ควอนตัมและนาฬิกา
- อะตอม สตรอนเชียม ตอบสนองต่อแสงสีน้ำเงินที่ 461 นาโนเมตร
- หากส่องสีอื่นจะไม่เกิดปฏิกิริยาใดๆ
- ขนาด ต้นทุน และความซับซ้อน ของเลเซอร์แบบเดิมที่สร้างสีเฉพาะเหล่านี้ เป็นอุปสรรคหลักต่อการติดตั้งคอมพิวเตอร์ควอนตัมและนาฬิกาเชิงแสงในภาคสนาม
- เป็นข้อจำกัดสำคัญต่อการย้ายออกจากห้องแล็บไปสู่สภาพแวดล้อมใช้งานจริง
ความเป็นไปได้ในการประยุกต์ใช้
- นาฬิกาเชิงแสง ที่ราคาถูก ใช้พลังงานต่ำ และพกพาได้ อาจมีศักยภาพในหลายด้าน
- อาจช่วยสนับสนุนการพยากรณ์การปะทุของภูเขาไฟและแผ่นดินไหว
- อาจเป็น ทางเลือกแทน GPS สำหรับการระบุตำแหน่งและการนำทาง
- อาจช่วยสำรวจปริศนาทางวิทยาศาสตร์ เช่น ธรรมชาติของสสารมืด
- คอมพิวเตอร์ควอนตัม อาจเปิดแนวทางใหม่ในการศึกษาฟิสิกส์และเคมีของยาและวัสดุ
- การใช้งานวงจรโฟโตนิกส์แบบบูรณาการไม่ได้จำกัดอยู่แค่เทคโนโลยีควอนตัม
- อาจช่วยส่งสัญญาณอย่างมีประสิทธิภาพระหว่างชิปเฉพาะทางที่บริษัทเทคโนโลยีใช้งาน
- อาจช่วยให้เครื่องมือที่ขับเคลื่อนด้วย AI มีพลังและประสิทธิภาพมากขึ้น
- บริษัทเทคโนโลยียังสนใจใช้โฟโตนิกส์เพื่อปรับปรุง จอแสดงผลความเป็นจริงเสมือน
เส้นทางสู่การใช้งานเชิงพาณิชย์
- ปัจจุบันชิปนี้ยัง ไม่พร้อมสำหรับการผลิตจำนวนมาก
- แต่เทคนิคการผลิตเองก็แสดงเส้นทางสำหรับอนาคต
- กำลังร่วมมือกับ Octave Photonics เพื่อขยายเทคโนโลยี
- สตาร์ทอัพที่ตั้งอยู่ใน Louisville รัฐ Colorado
- ก่อตั้งโดยอดีตนักวิจัย NIST และกำลังทำงานด้านการขยายเทคโนโลยี
ลักษณะเด่นด้านภาพและการทดลอง
- ภายในชิปสี่เหลี่ยมผืนผ้าขนาดเล็บมือ มี วงจรจำนวนมากที่เปลี่ยนสีของแสงเลเซอร์ รวมอยู่ภายใน
- ในภาพมีการแสดงวงจรหนึ่งตัวที่แปลงอินฟราเรดซึ่งมองไม่เห็น ให้กลายเป็นแสงสีน้ำเงินที่มองเห็นได้
- ใช้เหรียญ dime เพื่อเปรียบเทียบขนาด
- ชิปที่อาศัยออปติกไม่เชิงเส้นสามารถบรรจุ เลเซอร์ได้หลายสิบสี
- ในห้องแล็บได้ยืนยันว่าชิป รับแสงที่มองไม่เห็นและสร้างแสงที่มองเห็นได้หลายสี
- เป็นภาพที่แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงความเป็นไปได้ของการใช้งานหลากหลายภายในชิปแบบบูรณาการเพียงตัวเดียว
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นจาก Hacker News
แทนที่จะพูดกันแค่เรื่อง magenta หรือสีน้ำตาล จริง ๆ แล้วเราก็เห็น สีลวงตา ได้เลยทันทีโดยไม่ต้องใช้เลเซอร์ ถ้าลองทำตามบทความนี้ ก็จะได้ประสบการณ์ประมาณว่าเห็นสีอะไรสักอย่างคล้าย ๆ hyper-turquoise
ฉันคิดว่าคำอธิบายในบทความที่ประมาณว่า “โฟตอนวิ่งผ่านวงจรได้เร็วกว่าอิเล็กตรอนมาก” อาจทำให้เข้าใจผิดนิดหน่อย ตัวอิเล็กตรอนเอง ไม่ได้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง แต่การส่งผ่านข้อมูลทางไฟฟ้านั้นก็เกิดขึ้นใกล้เคียงความเร็วแสงอยู่แล้ว เพราะงั้นจุดที่จะเพิ่มประสิทธิภาพการคำนวณน่าจะอยู่ที่ แบนด์วิดท์ มากกว่าเรื่องเวลาแฝง
ฉันรู้สึกว่าอยากให้มีใครอธิบายแบบเข้าใจง่ายหน่อยว่า photonic computing ที่พูดถึงตรงนี้มันมีเนื้อมีตัวจริงแค่ไหน
ฉันคิดว่าถ้าต้นทุนสุดท้ายโอเค นี่น่าจะเป็นข่าวดีสำหรับควอนตัมคอมพิวติ้งแบบ ion trap อย่างชัดเจน ความยาวคลื่นเลเซอร์ที่ต้องใช้เพื่อกักไอออนนั้นต่างกันไปตามโมเลกุลหรือสปีชีส์ที่เลือก ขณะที่อุปกรณ์ปัจจุบันทั้งแพง ละเอียดอ่อน ปรับเทียบยาก และถ้าใช้ dye laser ก็ยุ่งยากพอตัว
ถ้าในอนาคตมีจอแสดงผลแบบใหม่ที่ไม่ต้องติดอยู่ในขอบเขตสีสามเหลี่ยมของแม่สี RGB อีกต่อไป แต่ให้แม่สีเปลี่ยนแบบไดนามิกเพื่อแสดงได้แทบทุกสี ฉันว่าคงน่าตื่นเต้นมาก
ฉันอยากแชร์ว่า paper ต้นฉบับอยู่ที่นี่
ฉันรู้สึกว่าชื่อเรื่องค่อนข้าง ชวนให้เข้าใจผิด มันดูไม่ใช่เครื่องคำนวณอเนกประสงค์จริง ๆ แต่เป็นการใช้งาน เอฟเฟกต์ออปติกไม่เชิงเส้น หลายแบบกับความถี่อินพุตของเลเซอร์ใน integrated optics เพื่อทำสิ่งที่พอจะเรียกว่าเป็นการคำนวณได้มากกว่า
พอนึกถึงว่าอิเล็กตรอนใช้เวลา 60 ปีกว่าจะเดินทางจากชิปไปถึง smart device ได้ ถ้าโฟตอนเดินตามเส้นทางคล้ายกัน เราก็อาจเพิ่งจะ ได้ยินเสียงปืนออกตัว เท่านั้น โดยเฉพาะที่ tantala สามารถรับสีเลเซอร์เดียวแล้วแผ่ออกเป็นเกือบทั้งสายรุ้งได้ น่าสนใจมากจริง ๆ
ฉันนึกถึงว่า US Navy วิจัย free electron laser มานานแล้วเหมือนเป็นจอกศักดิ์สิทธิ์อย่างหนึ่ง ตัวอย่างที่เกี่ยวข้องดูได้จากข่าวประชาสัมพันธ์ของ Boeing
พอได้ยินคำว่า “เลเซอร์ที่ให้ได้ทุกความยาวคลื่นจริง ๆ” ก็อดนึกถึงอะไรอย่าง gamma-ray laser ไม่ได้ แม้ในความเป็นจริงจะไม่ง่าย แต่ก็รู้สึกว่า ถ้ามีได้ก็คงดี