T

o by∏o typowe dla lat osiem-
dziesiàtych – marzenie o kom-
puterze optycznym szybszym
i bardziej por´cznym ni˝ jego

elektroniczny odpowiednik. Ta wspa-
nia∏a wizja nigdy si´ nie ziÊci∏a, gdy˝
okaza∏o si´, ˝e manipulowanie Êwiat∏em
stwarza problemy nie do pokonania
– nawet najprostsze operacje, na przy-
k∏ad zapami´tanie zera czy jedynki za
pomocà fotonów, sà niezwykle trudne.
Jednak˝e nie ca∏y wysi∏ek poszed∏ na
marne. Wynikiem poszukiwania przy-
rzàdów odpowiednio ma∏ych, by mo˝-
na je by∏o zastosowaç w procesorze
optycznym, sà lasery o rozmiarach kil-
ku mikrometrów.

Mimo ˝e te miniaturowe, tanie lasery,

dajàce si´ ∏atwo zintegrowaç z mi-
kroprocesorem, nie czynià komputera
optycznego bardziej realnym, to jednak
dzi´ki nim otwierajà si´ nowe perspek-
tywy w innej dziedzinie – burzliwie roz-
wijajàcej si´ telekomunikacji optycznej,
w której rozwój nap´dzany jest lawino-
wo rosnàcymi potrzebami Internetu. Mi-

krolasery dost´pne od kilku lat na ryn-
ku s∏u˝à obecnie g∏ównie jako nadajni-
ki w prze∏àcznikach (o przepustowoÊci
si´gajàcej cz´sto miliardów bitów na se-
kund´) – wprowadzajà do Êwiat∏owo-
dów pakiety danych, wysy∏ajàc je w po-
dró˝ po ró˝nych trasach sieci.

Urzàdzenia nadawczo-odbiorcze wy-

korzystujàce mikrolasery u˝ywane sà
g∏ównie w sieciach lokalnych i tam,
gdzie dane przesy∏ane sà na ma∏e odle-
g∏oÊci. W roku 1999 sprzedano takich
urzàdzeƒ za 262 mln dolarów, a zgodnie
z przewidywaniami analityków rynku
z firmy ElectroniCast w roku 2009 su-
ma ta wzroÊnie do 14 mld dolarów. „Bi-
jà one na g∏ow´ inne lasery pod wzgl´-
dem jakoÊci Êwiat∏a, które wytwarzajà,
i kosztów produkcji” – czytamy w ra-
porcie zamieszczonym w Light Reading
– witrynie internetowej poÊwi´conej
technologiom optycznym.

Lasery te przez specjalistów nazywa-

ne sà VCSEL (akronim angielskiej na-
zwy vertical-cavity surface-emitting
lasers) bàdê po prostu „vixels”. Techno-

logia ich wytwarzania ró˝ni si´ od tej
stosowanej do produkcji innych – zna-
nych z odtwarzaczy p∏yt kompaktowych
czy transoceanicznych kabli Êwiat∏owo-
dowych – laserów pó∏przewodniko-
wych, które sà pod∏u˝nymi prostopa-
d∏oÊciennymi strukturami emitujàcymi
Êwiat∏o z kraw´dzi. G∏ównà zaletà mi-
niaturowych laserów VCSEL jest to, ˝e
wysy∏ajà one fotony prostopadle do po-
wierzchni p∏ytki pó∏przewodnika, na
której je zbudowano. Stwarza to zupe∏-
nie nowe mo˝liwoÊci.

Na przyk∏ad mo˝na testowaç tysiàce

laserów VCSEL wytworzonych na jed-
nej p∏ytce krzemowej, podczas gdy taki
sam test laserów emitujàcych Êwiat∏o
z kraw´dzi wymaga wczeÊniejszego po-
ci´cia p∏ytki i wykonania pomiarów dla
ka˝dego lasera osobno. Co wi´cej, lase-
ry VCSEL o rozmiarach poprzecznych
poni˝ej 10 µm sà bardzo wydajne i mo˝-
na je produkowaç w postaci macierzy
elementów zintegrowanych z uk∏ada-
mi elektronicznymi na jednej p∏ytce pó∏-
przewodnika. Cylindrycznà wiàzk´

14 Â

WIAT

N

AUKI

Kwiecieƒ 2001

WiadomoÊci i opinie

O P T O E L E K T R O N I K A

_

L A S E R Y

Tanie Êwiat∏o

Mikrolasery pracujà w coraz dalszej podczerwieni, by sprostaç wymogom sieci optycznych

KENT GEIB

Sandia National Laboratories (na górze);

UNIVERSITY OF CALIFORNIA W

SANTA BARBARA

(na dole)

Nie wszyscy zgadzajà si´ z szacunka-

mi Alroya, choçby dlatego ˝e zale˝à one
po cz´Êci od przyj´tych liczebnoÊci wy-
mar∏ych zwierzàt – a takie oceny sà si∏à
rzeczy niezbyt pewne. Konkretny zarzut
przedstawi∏ teriolog Ross D. E. MacPhee
z nowojorskiego American Museum of
Natural History: wskaza∏, ˝e zapis ar-
cheologiczny owego okresu obejmuje
zaledwie kilkanaÊcie przyk∏adów ka-
miennych ostrzy tkwiàcych w koÊciach
mamutów (i co wa˝ne, ani jednego zwià-
zanego ze szczàtkami innych wymar-
∏ych wielkich ssaków). Trudno to pogo-
dziç z tezà, ˝e megafauna zosta∏a wyt´-
piona wskutek nadmiernych polowaƒ.
Ponadto niektóre wymar∏e gatunki mia-
∏y ogromny zasi´g (np. olbrzymi leni-
wiec naziemny Jeffersona ˝y∏ od Juko-
nu na pó∏nocy po Meksyk na po∏udniu),
a wi´c – zdaniem McPhee’ego – ma∏o
prawdopodobne, by wygin´∏y wskutek
masowej rzezi.

McPhee zgadza si´, ˝e ludzie byli

sprawcami owego wymierania, ale nie
bezpoÊrednio. Sàdzi, ˝e zawlekli jakàÊ
Êmiertelnà chorob´ (byç mo˝e za po-
Êrednictwem psów czy paso˝ytów), któ-

ra gwa∏townie rozprzestrzeni∏a si´
wÊród nieodpornych na nià zwierzàt
Nowego Âwiata. Podobnie jak w przy-
padku hipotezy wielkiego zabijania,
tak˝e i w tej sytuacji najtrudniej by-
∏oby odbudowaç liczebnoÊç wielkim
ssakom. Powtarzajàce si´ panzoocje mo-
g∏y szybko doprowadziç ich popula-
cje do nieodwracalnego jej spadku. Na
razie MacPhee nie ma empirycznych
dowodów na potwierdzenie hipotezy
zabójczej choroby i doÊç trudno b´dzie
mu je zdobyç: zaraza zabija∏aby zbyt
szybko, by pozostawiç Êlady na ko-
Êciach. Liczy jednak, ˝e analizy tkanek
i DNA ostatnich mamutów przyczynià
si´ do ujawnienia ÊmiercionoÊnych
drobnoustrojów.

Trzecie wyjaÊnienie przyczyn wymie-

raƒ ssaków w Ameryce Pó∏nocnej nie
ma zwiàzku z cz∏owiekiem. Jego zwo-
lennicy przypisujà win´ klimatowi. Plej-
stocen by∏ epokà bardzo niestabilnà
klimatycznie – wyjaÊnia paleontolog
Russell W. Graham z Denver Museum
of Nature and Science. W rezultacie do-
sz∏o do zaniku pewnych typów siedlisk
i rozerwania zwartych dawniej za-

si´gów wielu gatunków. Niektórym
zwierz´tom zmiany te stworzy∏y nowe
mo˝liwoÊci. Wi´kszoÊç megafauny zare-
agowa∏a jednak na post´pujàce ujed-
nolicenie Êrodowiska kurczeniem are-
a∏ów wyst´powania – co dla du˝ych
zwierzàt potrzebujàcych rozleg∏ych te-
rytoriów oznacza∏o wyrok Êmierci. Cho-
cia˝ przez wi´kszoÊç plejstocenu uda-
wa∏o si´ im utrzymywaç liczebnoÊç
populacji na poziomie umo˝liwiajàcym
przetrwanie, ostatnia zmiana klimatu,
okreÊlana jako m∏odszy drias, spowo-
dowa∏a ich wygini´cie.

Alroy jest przekonany, ˝e to myÊliwi

wyt´pili olbrzymy epoki lodowcowej.
Hipoteza wielkiego zabijania t∏umaczy
wszystko, co zawierajà scenariusze epi-
demii i zmian klimatu, a przy tym traf-
nie przewiduje, które gatunki mia∏y
ostatecznie wymrzeç. „Sam jestem jaro-
szem – dorzuca – i uwa˝am t´ wizj´ za
odra˝ajàcà, ale wiarygodnà.”

Kate Wong

Ross MacPhee wyjaÊnia swà hipotez´

Êmiertelnej panzoocji na stronie interne-
towej: www.sciam.com/interview/2001
/010201macphee/index.html

Â

WIAT

N

AUKI

Kwiecieƒ 2001 15

WiadomoÊci i opinie

Êwiat∏a daje si´ ∏atwo wprowadzaç
do Êwiat∏owodów, a ma∏e rozmiary
u∏atwiajà monta˝ modu∏ów nadaw-
czo-odbiorczych.

Niestety, problemy materia∏owe i

technologiczne powodujà, ˝e lase-
ry VCSEL wytwarzajà Êwiat∏o jedy-
nie w bliskiej podczerwieni (oko∏o
0.85 µm), a takie Êwiat∏o mo˝na prze-
sy∏aç w Êwiat∏owodach tylko na nie-
wielkie odleg∏oÊci, co najwy˝ej 1 km.
Jednak˝e najnowsze dokonania w tej
dziedzinie mogà sprawiç, ˝e mikro-
lasery stanà si´ podstawowym ele-
mentem lokalnych sieci Êwiat∏owo-
dowych, a pewnego dnia prawdo-
podobnie pojawià si´ równie˝ w na-
szych domach. „JeÊli ka˝dy ma mieç
laser w komputerze, to nie mo˝e on
kosztowaç tysiàc dolarów. Dlatego
te˝ ceny laserów majà tak du˝e zna-
czenie” – mówi Dennis Deppe pra-
cujàcy nad VCSEL w University of
Texas w Austin.

Aby sta∏o si´ to mo˝liwe, lasery

VCSEL muszà emitowaç Êwiat∏o w
podczerwieni w pasmach 1.31 µm
i 1.55 µm wykorzystywanych w ∏à-
czach optycznych Êredniego i dale-
kiego zasi´gu. G∏ówna przeszkoda
w osiàgni´ciu tego celu to ró˝ne od-
leg∏oÊci pomi´dzy atomami sieci
krystalicznej pó∏przewodników, z
których wykonane sà podstawowe ele-
menty lasera: oÊrodek aktywny, mate-
ria∏ laserujàcy oraz ograniczajàce go
z obu stron lustra.

Laser VCSEL pracuje, gdy pràd elek-

tryczny „wpompowywany” do pó∏prze-
wodnikowej wn´ki przenosi elektro-
ny na wy˝szy poziom energetyczny.
Wzbudzone elektrony przeskakujà z po-
wrotem do poziomu o ni˝szej energii
i rekombinujà z „dziurami” (obszarami
o dodatnim ∏adunku), emitujàc przy
tym fotony, które odbijajàc si´ wielo-
krotnie od luster zamykajàcych wn´k´,
powodujà rekombinacj´ innych wzbu-
dzonych elektronów z dziurami i emisj´
nast´pnych fotonów. Utworzona w ten
sposób wiàzka Êwiat∏a spójnego cz´Êcio-
wo przechodzi przez jedno z luster, two-
rzàc wiàzk´ laserowà.

W laserach emitujàcych fale o du˝ej

d∏ugoÊci dobór materia∏ów do zbudo-
wania obszaru aktywnego i luster jest
bardzo trudny – odleg∏oÊci pomi´dzy
atomami w sieciach krystalicznych po-
winny byç takie same. Z powodu nie-
dopasowania sieci w kolejnych war-
stwach tworzàcych struktur´ lasera
pojawiajà si´ napr´˝enia i defekty, któ-
re powodujà, ˝e laser przestaje Êwieciç.
Niektóre firmy wytwarzajà lustra i ob-
szary aktywne lasera na oddzielnych
p∏ytkach wykonanych z ró˝nych pó∏-

przewodników, a nast´pnie spajajà je,
tworzàc w ten sposób kompletny laser.
Jakkolwiek krytycy takiej metody twier-
dzà, ˝e jest ona zbyt skomplikowana
i kosztowna, to jednak ta technologia
wydaje si´ najbli˝sza upowszechnienia
w produktach komercyjnych. Du˝e za-
interesowanie budzà ostatnie badania,
dzi´ki którym uda si´ byç mo˝e ominàç
problem spajania ró˝nych kryszta∏ów.
Jest to mo˝liwe dzi´ki hodowaniu z∏o-
˝onych struktur pó∏przewodnikowych
warstwa po warstwie metodà epitak-
sjalnà. „JesteÊmy Êwiadkami swoistego
wyÊcigu – mówi Larry Coldren zajmu-
jàcy si´ laserami VCSEL w University
of California w Santa Barbara. – Celem
jest hodowanie struktur o dopasowanej
sieci, a wi´c jednego kryszta∏u pó∏prze-
wodnikowego; potem pozostaje tylko
obróbka i umieszczenie go w obudowie.
Nikt nie chce hodowaç trzech kryszta-
∏ów i spajaç ich ze sobà.”

Dzi´ki materia∏om otrzymanym po

raz pierwszy przez firm´ Hitachi bada-
cze z Sandia National Laboratories i Cie-
lo Communications zaproponowali roz-
wiàzanie problemu niedopasowania
sta∏ej sieci. W ubieg∏ym roku opisali me-
tod´ wytwarzania na pojedynczym
krysztale lasera VCSEL generujàcego fa-
l´ o d∏ugoÊci 1.31 µm. Obszar aktywny
w tym laserze wykonano z kryszta∏u

czterosk∏adnikowego InGaAsN. Sta-
∏a sieci tego materia∏u jest wystar-
czajàco bliska sta∏ej sieci materia∏u,
z którego wykonano lustra – naprze-
miennych warstw arsenku galu i alu-
mino-arsenku galu – by mo˝na by∏o
zbudowaç laser emitujàcy fal´ o d∏u-
goÊci 1.31 µm.

Inny sposób doskonalenia laserów

VCSEL polega na lepszym uwi´zie-
niu elektronów i dziur w obszarze
aktywnym lasera. Pozwala to z jed-
nej strony zwi´kszyç prawdopodo-
bieƒstwo emisji fotonów, z drugiej
zaÊ umo˝liwia dostrojenie d∏ugoÊci
fali Êwiat∏a lasera do po˝àdanej war-
toÊci. Wspó∏czesne lasery VCSEL
majà obszar aktywny wytworzony
ze studni kwantowych – cienkich
warstw pó∏przewodnika, które sku-
piajà elektrony i dziury w p∏askiej
dwuwymiarowej przestrzeni. Na-
ukowcy posun´li si´ o krok dalej
i zastàpili studnie kwantowe krop-
kami kwantowymi. Mo˝emy je sobie
wyobraziç jako miniaturowe pude∏-
ka o rozmiarach rz´du nanometrów,
które nie tylko utrzymujà elektrony
i dziury w okreÊlonym po∏o˝eniu
w krysztale, ale tak˝e pozwalajà
zmieniaç energi´ elektronów. Oba te
efekty mo˝na wykorzystaç do budo-
wy lepszego lasera.

Kropki kwantowe wydajà si´ kon-

struktorom laserów VCSEL wymarzo-
nym materia∏em – dzi´ki nim daje si´
uzyskaç po˝àdanà d∏ugoÊç fali Êwia-
t∏a laserowego. Równie wa˝ny jest ma-
∏y rozmiar kropek, rz´du 100 atomów,
dzi´ki czemu wiàzania atomowe w
kropce kwantowej i otaczajàcym jà ob-
szarze mogà dopasowaç si´ do po∏o˝eƒ
atomów w krysztale tworzàcym lustra,
co pozwala uniknàç niepo˝àdanych
napr´˝eƒ i dyslokacji. Lasery VCSEL
stanà si´ prawdopodobnie pierwszym
produktem komercyjnym, w którym
wykorzystuje si´ kropki kwantowe. In-
ny cel badaƒ to budowa laserów VCSEL
na 1.55 µm (d∏ugoÊç fali powszechnie
stosowanà w telekomunikacji Êwiat∏o-
wodowej dalekiego zasi´gu), tak˝e prze-
strajalnych, które zmieniajàc d∏ugoÊç
fali, umo˝liwià przesy∏anie danych al-
ternatywnymi trasami lub zwi´kszenie
przepustowoÊci ∏àcza.

Konstruowanie laserów VCSEL na

du˝e d∏ugoÊci fali, na przyk∏ad wy-
twarzanie kropek kwantowych o od-
powiednich parametrach, ciàgle sta-
nowi wyzwanie. Ale nagroda – tanie
sieci Êwiat∏owodowe przesy∏ajàce dane
wprost do naszych domów – sugeruje,
˝e urzàdzenia te mogà mieç lepszà przy-
sz∏oÊç ni˝ komputer optyczny.

Gary Stix

LASER VCSEL

w Sandia National

Laboratories emituje Êwiat∏o

o d∏ugoÊci fali 1.31

m

m (na górze);

laser zbudowany w University of California

w Santa Barbara pracuje

na 1.55

m

m (na dole).