Trendy

Fotonika, to nie elektronika. W jej przypadku nikt nie wie, co będzie za pięć lat

„Do Republiki Czeskiej nie trafia nawet procent z tego, co opracujemy i wyprodukujemy. Mamy jedynie pewne partnerstwa strategiczne z uniwersytetami, lecz stanowi to naprawdę znikomą część całego obrotu firmy,“ mówi na wstępie wspólnego opowiadania Martin Žoldák ze spółki Argotech. Jako jedna z niewielu w kraju, zajmuje się intensywnie dziedziną fotoniki. Dynamicznie rozwijającego się segmentu, który w najbliższej przyszłości stanie się ową wypatrywaną „skokową zmianą“ w zakresie dalszego rozwoju technologii. W ostatnich dekadach przywykliśmy, że wszystko wokół nas ciągle przyspiesza - oraz, że zmiana ta ma charakter wykładniczy. Jednak teraz jesteśmy na etapie, gdy dalszy wzrost teoretycznie jest możliwy, lecz napotyka przeszkody w postaci granic fizycznych. Światłowody mogą być coraz szybsze, jednak fizyka rządzi się określonymi prawidłowościami w zakresie odległości, temperatury, zużycia energii, ciepła odpadowego. Dlatego poszukiwane są alternatywy, a z pośród wszystkich branż fotonika najpewniej zmierza w kierunku pokonania tych granic.

„Właściwie to jestem nawet nieco zaskoczony tym, jak niewielką uwagę poświęcają czeskie uniwersytety tej dziedzinie. Gdy poszukujemy kogoś nowego do firmy, nie mamy po kogo sięgnąć. Możemy jedynie przyjąć utalentowanego absolwenta z pokrewnej dziedziny i w zasadzie nauczyć go wszystkiego dopiero u nas. Na podstawie naszych doświadczeń można stwierdzić, że dziedziną najintensywniej zajmuje się Uniwersytet Techniczny w Ostrawie oraz jeden wydział „ČVUT“ (praskiej Politechniki). Tymczasem w tym właśnie kierunku zmierza przyszłość, a kraje zachodnie inwestują w rozwój i naukę wielokrotnie więcej pieniędzy i energii,“ mówi człowiek, który w firmie Argotech jest od jej samego początku. Niestety, jest to następstwo bardzo ograniczonego rządowego wsparcia badań i firm technologicznych i w ogóle nieistniejącej koncepcji dziedzin strategicznych.

Tymczasem fotonika jest dla inżynierów bardzo interesującą dziedziną, ściśle powiązaną z elektroniką. W porównaniu do elektroniki jednak przynosi kolejny wymiar i powoduje, że dane zastosowania są o wiele bardziej interesujące. To jest też przypuszczalnie powodem praktycznie zerowej fluktuacji pracowników spółki.

Od serwisu do rozwiązań state-of-art

A zatem od 2006 roku, gdy na północnym wschodzie Czech zakończono działalność spółki Infineon Technologies (spółka z branży półprzewodników odłączona od firmy SIEMENS), która produkowała tu aktywne elementy, nadajniki i odbiorniki do światłowodów. Po przejęciu przez dwóch dużych światowych graczy największej części działalności dywizji fotonicznej firmy Infineon, nadal pozostała tu niemała część działalności, którą nikt się nie zainteresował. Wraz z doświadczonym zespołem, który tu był, mieliśmy dużą motywację, by założyć spółkę, która byłaby godnym następcą, i na czele której stanął kierownik marketingu dywizji fotoniki firmy Infineon. W taki sposób powstała z dnia na dzień spółka Argotech. Firma, która w pierwszych latach bazowała na tym, że starała się przejąć mniejsze zlecenia, którymi najwięksi gracze nie byli zainteresowani.

„Kontynuowaliśmy produkcję tego, co robił Infineon. Był to jednak model, w którym przetrwalibyśmy jakieś pięć lat. Trzeba było pomyśleć, co dalej. Firma podjęła decyzję, że jedyną drogą jest rozpoczęcie działań w zakresie własnego rozwoju technologicznego. By nie zajmować się jedynie „contract manufacturingiem“, gdzie ślepo produkujesz to, co inni podają Ci na talerzu. I wykorzystać w tym celu doświadczenia oraz know how. Zaczęliśmy się skupiać na projektach technologii wysokiej częstotliwości, co ściśle związane jest z fotoniką. Zaczęliśmy opracowywać pierwsze projekty dla klientów, którzy żądali od nas zaawansowanych konwerterów. Z czysto produkcyjnej formy staliśmy się spółką inżynieryjną,“ opisuje Martin Žoldák.

Z tym, że Argotech do dziś utrzymuje statut rdzennie serwisowej spółki, która świadczy usługi na rzecz swoich klientów. Nie sprzedaje żadnych swoich produktów, na rynku nie znaleźliby Państwo nawet jednego jej produktu. „Jest to filozofia, która jest tutaj obecna i pewnie jeszcze przez jakiś czas się utrzyma. Jest to też kwestia wiarygodności i obaw z utraty własności intelektualnej. Skupiamy się na optoelektronice, mikroelektronice, fotonice oraz fotonice krzemowej. Fotonika to bardzo dynamiczna dziedzina. Tam nikt nie ma pojęcia, co będzie za pięć lat. W elektronice można całkiem łatwo przewidywać, lecz w fotonice praktycznie wcale. Jest może o rząd wielkości bardziej dynamiczna od elektroniki, co obowiązuje z pewnością już od ponad 10 lat. Pracujemy nad szeregiem specyficznych rozwiązań state-of-the-art,“ opowiada Martin Žoldák.

Ślepy zaułek

Dzisiejsza fotonika – to jazda na bardzo dzikim koniu. Opracowywanych jest w niej równolegle wiele rewolucyjnych podejść, z których liczne są bez szans zaistnienia na rynku. „Niektóre są technicznie bardzo dobre, lecz na tyle kosztowne, że rynek nie jest w stanie ich wchłonąć. Ogólnie, fotonika jest droga. Składają się na to ścieżki optyczne, fale elektromagnetyczne, rozchodzące się w falowodach, które muszą ze sobą bardzo precyzyjnie współgrać. Tymczasem mają one wymiary rzędu mikrometrów. I z taką precyzją musisz produkować komponenty – lasery, falowody, czipy silikonowe fotoniczne, światłowody. Nie można tego wykonywać biernie, lecz aktywnie, dlatego jest to kosztowne. „Światło“ musi się rozprzestrzeniać w sposób sterowany, a nie w powietrzu,“ wylicza ograniczenia Martin Žoldák.

Fotonika i technika światłowodowa, to obecnie już nie tylko transmisje danych, jakie znamy z przeszłości. Następuje masywne poszerzenie zastosowań na bazie fotoniki, szczególnie jeśli chodzi o specyficzne czujniki w różnych branżach przemysłowych. Tymczasem fotonika jest w wielu przypadkach jedynym znanym dobrym rozwiązaniem, na razie nie ma alternatywy. Chodzi na przykład o bezdotykowe monitorowanie substancji chemicznych w przemyśle petrochemicznym; na rozwiązaniach fotonicznych opiera się obecnie także przemysł obronny, a największy boom przeżywa zastosowanie w służbie zdrowia i przemyśle farmaceutycznym do celów diagnostycznych. Dzięki temu udaje się podnoszenie jakości życia chorych osób, lub za pomocą analizy spektralnej sprawdzanie jakości leków, żywności, itd. Lecz chyba najbardziej znanym zastosowaniem dla ogółu społeczeństwa w ostatnich latach w przemyśle dóbr konsumpcyjnych jest tzw. Face ID, do 3D identyfikacji ludzkiej twarzy, którą w prowadziła spółka Apple w swoim rewolucyjnym telefonie iPhone X.

PCB oraz ceramika wysokiej częstotliwości

„Nieustannie zwiększa się prędkość. A mianowicie tak bardzo, że za pomocą światłowodów możemy przenieść taką ilość informacji przez krótki okres czasu, że zderzamy się z limitem ścieżek elektrycznych. W 2012 roku wraz z jednym rosyjskim klientem rozpoczynaliśmy projekt, gdzie żądali rozwiązania 4x14 gigabitów. Dla naszej firmy oznaczało to całkiem spory skok. Zaprojektowaliśmy konwerter. Dwa lata później braliśmy udział w jednym projekcie UE, gdzie żądali od nas opracowania rozwiązania 4x56. Oznaczało to dla nas olbrzymie ryzyko, ponieważ w tym czasie nikt się tym specjalnie nie zajmował i nie było w tym zakresie żadnych materiałów, ani planu działania. Złożoność rozwiązania wzrasta gwałtownie wraz prędkością transmisji, gdzie czterokrotnie wyższa prędkość stwarza jednak ok. 20 krotnie bardziej złożony problem. Bez zaawansowanych narzędzi symulacyjnych na bazie FEM i FDTD nie można się już obejść. W końcu znaleźliśmy rozwiązanie, z którego się utrzymujemy, w pozytywnym sensie słowa, do dziś. Bazuje na PCB wysokiej częstotliwości oraz ceramice wysokiej częstotliwości. Za pomocą rozwiązań jesteśmy w stanie przenosić sygnały prędkością 100 gigabitów NRZ po jednym kanale, a mianowicie bez dodatkowej modulacji (z modulacjami można ją zwiększyć 2x - 4x), lecz niestety widzimy, jakim kosztem się to odbywa. Poziom trudności produkcji PCB, substratów i innych elementów sprawia, że jest to proces bardzo kosztowny. 100 gigabitów będzie granicą; już wiemy, że nie będzie to terabit, jego już za pomocą elektroniki nie będziemy w stanie przenieść. 56 gigabitów na jeden kanał jest zadaniem na tyle wymagającym od strony komercyjnej, że nie można go realizować efektywnie z punktu widzenia finansów. Zatrzymało się to na poziomie 25 gigabitów na kanał, to rozsądna cena. My jesteśmy na poziomie stu, może zdołamy setkę nieco przekroczyć, jednak z fotoniką jest to na tyle drogie, że nie doszło do dalszego rozpowszechnienia“ dodaje Martin Žoldák.

Image
argotech

Zastosowanie fotoniki krzemowej – podłączenie wysokiej częstotliwości czipu do PCB za pośrednictwem ceramiki adaptacyjnej

 

Zmienić się musi architektura całych systemów

Dotarliśmy do punktu, gdy całkowicie zmieniane będą architektury całych systemów informatycznych i systemów danych. Elektronika jako taka nie jest w stanie przenosić efektywnie sygnałów o wysokiej prędkości za pośrednictwem połączeń PCB. My to zaprojektujemy, lecz materiały, które są stosowane, są niezwykle drogie. PCB posiadają właściwości dielektryków, stosowane są specjalne laminaty, dielektryki do zastosowań o wysokiej częstotliwości, specyficzny produkt Rogers. Tam nie możny użyć klasycznych laminatów FR-4. Te najlepsze materiały wykazują w przypadku owych wysokich częstotliwości na tyle duże tłumienie, że nawet takie najlepsze materiały okazują się być niewystarczającymi dla takich częstotliwości. Produktem ubocznym jest większa energochłonność. Z użyciem siły jest to możliwe, lecz w takim przypadku powstawałaby taka energia odpadowa, że nie ma to sensu. Można to pokonać za pomocą rozwiązania fotonicznego i jego bezpośredniego wprowadzenia do czipów komputerowych. Już się to dzieje, duże spółki jak IBM intensywnie pracują nad takimi rozwiązaniami. Nakłady będą dziesięciokrotne, lecz w inny sposób, niż drogą zmiany filozofii i architektury już postępów nie poczynimy,“ podsumowuje Martin Žoldák.

Zajímá Vás k tématu více?
Spojte se s našimi odborníky:
Martin Žoldák
Project Manager