מעבדים ולייזר: לאן תוביל פריצת הדרך של אינטל?

ב-17 לפברואר פירסמה אינטל פריצת דרך מדעית שעשו חוקרים במעבדת הפוטוניקה שלה (פוטוניקה מלשון פוטון, חלקיק האור שמעביר אנרגיה אלקטרומגנטית דרך תווך שקוף, כפי שאלקטרוניקה נגזרת מהמילה אלקטרון, החלקיק שמשמש להעברת אנרגיה חשמלית דרך חומרים מתכתיים כמו נחושת). פריצת הדרך מספיק חשובה כדי לקבל כותרת בכתב העת המדעי החשוב (מאוד) Nature, אבל את רוב הקוראים בעיתונות הכללית זה בכלל לא הרשים. אז מה אם מדעני אינטל הצליחו להפיק קרן לייזר רצופה מגביש סיליקון? מה החידוש בכך ולמה זה חשוב?

כתבה זו תעזור להבין במה מדובר בלי להסתבך בפרטים של תורת הקוואנטים ויישומה בתחום הלייזרים.

הסיפור של הלייזר מתחיל בדיוק לפני 100 שנה, ב-1905, כשבוחן צעיר במשרד הפטנטים השוויצרי, פירסם מאמר על חלקיקים והתפלגות האנרגיה ביניהם. זו הייתה שנה פורייה במיוחד עבור היהודי הגרמני ששמו אלברט אינשטיין, שהתקשה למצוא נושא מתאים לעבודת דוקטורט ולכן חיפש עבודה שקטה שתאפשר לו לחשוב על נושאים שונים בפיזיקה.

משרד הפטנטים אכן איפשר לאינשטיין להתעמק בבעיות יסודיות, שמדענים עסוקים יותר השאירו בצד. באותה שנה הוא הפיק חמישה מאמרים מדעיים מקוריים, שחוללו מהפכה בתחומם, והניח את היסודות - וכמעט השלים בכוחות עצמו את מבנה העל - לתורת היחסות, הסביר את הדואליות שבבסיס תורת הקוואנטים, ופתר כמה בעיות חשובות בתרמודינמיקה.

באחד מהמאמרים האלה טמון הגרעין של תורת הלייזרים, מונח שאינשטיין יצר כמעט מבלי משים, במאמר המשך, שפורסם 12 שנה מאוחר יותר.

LASER הם ראשי תיבות של Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, כלומר "הגברת אור באמצעות פליטה מאולצת של קרינה". במשך יותר מ-40 שנה הפיזיקאים התייחסו לנושא כאל ספקולציה תיאורטית מעניינת - אבל חסרת ערך מעשי או שימושי.

רק בתחילת שנות ה-60' התפיסה השתנתה, אחרי שמספר חוקרים מצאו דרכים לבצע את הניסוי שתורת אינשטיין ניבאה את תוצאותיו.

1. הלזירה מתחילה בקרן אור המוחדרת למבנה המוגבה על שבב הסיליקון (שאיבה)‏ (צילום: פי סי מגזין)

1

2

3

4

5

6

7

(הלייזר הראשון, מבוסס על גביש רובי, שלח קרניים אדומות ב-1960. לייזר "מוליך למחצה", כמו הלייזר של מדעני אינטל, קיים מאז 1963).

התנאי הבסיסי ליצירת "לזירה", כלומר פליטת אור המוגדרת כלייזר, הוא מצב סטטיסטי שנקרא "היפוך אוכלוסייה", כשבתיאוריה של אינשטיין ההיפוך קורה ברמות האנרגיה של אלקטרונים הקשורים לאטומים. זה דומה למצב של חברה בה יש יותר עשירים מעניים.

אינשטיין ניבא שבחברה כזו, העשירים "ישתחררו" מעושרם העודף בפרץ היסטרי של בזבוז, כאילו מישהו מאלץ אותם להיות עניים. בדוגמה, העשירים הם אלקטרונים ברמות אנרגיה גבוהות והעניים הם אלקטרונים מעוטי אנרגיה.

במצב יציב מבחינה תרמודינמית יש הרבה אלקטרונים עניים ומעט עשירים. אם מצליחים "להפוך את האוכלוסייה", כלומר, להרבות את מספר האלקטרונים האנרגטיים מעבר למצב היציבות התרמודינמית, הם "ישתחררו" מעודף האנרגיה על ידי פליטה מאולצת של אור, כלומר פוטונים.

עצם פליטת הפוטונים על ידי האלקטרונים האנרגטיים אינה תופעה מיוחדת. בכל פעם שמדליקים נורה או גפרור, הזרם בחום הלהט או ההתחמצנות של החומר בקצה הגפרור יוצרים חום, שבחלקו משמש להמרצת האלקטרונים, ואלה מצידם מנסים להשתחרר ממטען האנרגיה על ידי פליטת אור.

ההבדל בין כל מקור אור קונבנציונלי לבין לייזר, נובע מכך, שהאלקטרונים "החמים" לא עברו "היפוך אוכלוסיה". כתוצאה מכך פליטת הפוטוניום היא "נורמלית", לא "מאולצת", והדבר מתבטא במספר תכונות מעניינות:

• בלייזר כל הפוטונים נפלטים באורך גל זהה, בניגוד לאור רגיל שמורכב ממספר גדול מאוד של אורכי גל - למעשה ספקטרום רציף של אורכי גל.
  
  
• בלייזר כל הפוטונים נפלטים ב"פאזה" אחת, כמו חיילים שצועדים בסך, בניגוד לפוטונים שנפלטים ממקור רגיל, שכל אחד מהם הולך "איך שמתחשק לו".
  
  
• בלייזר כל הפוטונים נפלטים בכיוון אחד (כלומר בזווית פיזור צרה מאוד) בניגוד לאור שנפלט מנורת להט לכל הכיוונים.
  

לא נסביר כאן מדוע המכניזם של פליטת אור מאולצת מביא לכך, שלאור יש תכונות כאלו. נתמקד לרגע במשמעות היישומית של התכונות הללו בתחום התקשורת. מאז ומעולם שימש האור אמצעי תקשורת. כשחווה הראתה לאדם את התפוח, היא השתמשה בתקשורת אופטית פשוטה כדי לפתותו.

דגלים, מדורות, טבעות עשן ונפנוף ידיים או העוויות שימשו את כל הדורות כדי להעביר מסרים באמצעות אור. אבל תקשורת אופטית במשמעותה המודרנית מצטמצמת לתמסורת של מידע בינארי (אחדים ואפסים), באמצעות מקור אור ייעודי (בדרך כלל לייזר),

דרך ערוץ תמסורת מבוקר (לרוב סיב אופטי). התיאור נכון במיוחד לתקשורת ברשתות אזוריות, ארציות ובינלאומיות, שב-20 השנים האחרונות עברו מאלקטרונים וחוטי נחושת לפוטונים וסיבים אופטיים.

סיב אופטי עשוי מסיליקה טהורה (זכוכית נקייה), עוביו נמדד במיקרונים ספורים והוא מסוגל להעביר זרם אור למרחק של עשרות קילומטרים בלי שייבלע בזכוכית. "רוחב הפס" שלו הוא מספר הזרמים שהוא מסוגל להעביר בשנייה - וזה מספר גדול מאוד, מאות מיליארדי ביט לשנייה בטכנולוגיות העכשוויות, הרבה יותר מ"רוחב הפס" של חוט נחושת בו עוברים זרמים חשמליים.

היתרונות של סיבים אופטיים בתקשורת כה בולטים, עד שהם סילקו את חוטי הנחושת מכל מקום בו נדרש רוחב פס גדול או העברת הנתונים למרחק של יותר מקילומטרים ספורים. יתרונות אחרים של תקשורת בסיבים אופטיים הם:

• צריכת אנרגיה נמוכה ופחות בעיות התחממות.
  
  
• אפשרות להעביר אותות שונים באותו סיב במקביל.
  
  
• האותות העוברים בסיבים לא מושפעים מרעשי הסביבה, כמו ברקים.
  
  
• אי אפשר לצותת לאותות האופטיים בלי שהמתקשרים יחושו בכך.
  

אבל לתקשורת האופטית יש גם חסרונות, או אתגרים הנדסיים שצריך להתגבר עליהם:

• קשה להכניס את האור לתוך הסיב הדקיק ולכוונו כך שירוץ עד לקצה השני (בעיה מכנית שנקראת Alignment).
  
  
• קשה לנתב את האור מסיב אחד לשני, כפי שנדרש במתג תקשורת, בלי לעבור מפוטוניקה לאלקטרוניקה ובחזרה.
  
  
• קשה לייצר רכיבי פוטוניקה משולבים בטכנולוגיות המקובלות במיקרו-אלקטרוניקה משום שחומר הגלם (סיליקון) אינו מתאים.
  
  
• קשה לחבר בין הפוטוניקה לאלקטרוניקה הדיגיטלית בצורה ישירה, ונדרשים כמה שלבי ביניים של המרת אותות, שגורמים להגדלת עלויות וצריכת האנרגיה ולזיווד מסורבל.
  

המצב כיום, בו תקשורת ארוכת טווח (למשל בין מרכזיות בזק) מועברת באמצעים פוטוניים ותקשורת קצרת טווח (כמו בין רכיבים על לוח האם, או בין המחשב לציוד היקפי, וברשתות מקומיות) באמצעים אלקטרוניים, נובע מהמאזן בין היתרונות והחסרונות שמנינו.

בטווח הארוך, היתרונות מכריעים את הרף לטובת פוטוניקה, בטווחים קצרים כדאי יותר להישאר במסגרת האלקטרוניקה. ודרך אגב, הסיבה שלייזרים וסיבים אופטיים קשורים אלה לאלה נובעת בעיקר מהסיבה המכנית, שקל יותר להחדיר את קרן הלייזר לסיב האופטי מאשר לאסוף אור מפוזר ממקור קונבנציונלי ולרכזו לקרן דקה באמצעות עדשות ומראות.

אבל יש גם סיבות נוספות שמחזקות את הזיווג של לייזרים וסיבים אופטיים. מאחר ואור הלייזר מרוכז באורך גל אחד, אפשר להעביר באותו סיב מספר קרניים בעלות אורך גל שונה (שכל אחת נוצרת מלייזר אחר) וכך להכפיל פי 10, 100 או אלף את רוחב הפס.

ומאחר וכל הפוטונים בפולס של אור לייזר "צועדים בסך", אפשר להפרידם בצורה חדה (כמו קבוצות חיילים במצעד) וכך לצופפם (לצורך הגדלת רוחב הפס) ולזהותם ממרחק גדול יותר (ולהגדיל את טווח התקשורת).

כלומר, כל שלוש התכונות המיוחדות של אור לייזר מוצאות את ביטוין בשיפור התכונות של תקשורת פוטונית. ורק בעיית החיבור בין פוטוניקה לאלקטרוניקה נשארת כמכשול במימוש החזון של אינטגרציה ברמת הרכיבים. המהנדסים חולמים על מעבד דיגיטלי, שמבצע את כל הפעולות המקובלות באלקטרוניקה, אבל מתחבר למערכות ההיקפיות (כולל הזיכרון) בערוץ פוטוני - כי לזה יש רוחב פס גדול יותר מאשר לאפיק המעבד המקובל היום (Front-Side Bus).

מהמארז שלו לא יצאו מאות מגעים מצופי זהב למעגלי הנחושת המודפסים על לוח האם, אלא צרור סיבים אופטיים שיתחברו ישירות לרכיבים האחרים. נכון להיום אי אפשר לייצר מעבד כזה, כי תהליך היצור של הליבה האלקטרונית (טכנולוגית הסיליקון) אינו תואם לתהליך היצור של לייזרים ורכיבים אופטיים אחרים (מגברים, משכפלי אות, מכפילי תדר, גלאים וכדומה).

ההכרזה של מדעני אינטל, שהצליחו לייצר לייזר (ליתר דיוק, לייזר "קרן רציפה", שיכול לפלוט אור באופן קבוע, לא מחזורי) המבוסס על טכנולוגיית סיליקון, היא הצעד הראשון בדרך הארוכה של איחוד אלקטרוניקה ופוטוניקה על שבב סיליקון אחד.

קשה להגזים בחשיבות של פריצת הדרך הזאת. כולנו מכירים את "חוק מור", שמכפיל את ביצועי הרכיבים האלקטרוניים מדי 24-18 חודש כבר קרוב ל-40 שנה. החוק הזה הוא תיאור נבואי מ-1968 של גורדון מור (ממייסדי אינטל) על היכולות הנגזרות מאינטגרציה של רכיבי אלקטרוניקה על שבב אחד, מה שנקרא Integrated Circuit, ובקיצור IC.

הפטנט הזה, שהומצא על ידי ג'ק קילבי במעבדות טקסס אינסטרומנטס ב-1958, הוא שמאפשר לקנות "מחשב על" (במושגים של העשור הקודם) בפחות מ-1,000 דולר, ו"לבזבז" את עוצמתו על יישומים "מיותרים", כמו משחקים תלת מימדיים בגרפיקה ריאליסטית. הוספת יכולות פוטוניות לארגז הכלים של מעצבי השבבים פותחת שער לאפשרויות, שאיננו מסוגלים לתאר לעצמנו.

בכתבה הבאה: מתי נראה מעבדי לייזר?