חוקרים בטכניון פיתחו עבור התעשייה התקני לייזר זעירים לשעונים אטומיים קטנים

פרופ’ מאיר אורנשטיין

אחד המרכיבים המרכזיים בשעונים האטומיים הקטנים הוא לייזר פולט-שטח הידוע בשם ויקסל (VCSEL). זהו לייזר זעיר מוליך למחצה (כ-1,000 ויקסלים נכנסים לגרגיר מלח) המשמש במגוון יישומים ובהם טלפונים סלולריים, חיישני רכב ורשתות תקשורת אופטיות במרכזי מידע(data centers) . כשמדובר בשעונים אטומיים, הדרישות מהויקסל מחמירות ביותר, למשל עבודה בטמפרטורות קרובות ל-100 מעלות ודיוק רב בצבע האור הנפלט. דרישות אלה הופכות את פיתוחם של ויקסלים כאלה לאתגר טכנולוגי מורכב במיוחד. הויקסל שפותח בטכניון עונה על כל הדרישות הללו ואף מציג ביצועים העולים על אלה של הלייזרים הטובים ביותר בעולם כיום.

פריצת הדרך בטכניון נעשתה במסגרת מאגד “ויקסל” של רשות החדשנות – מאגד שבו שותפות חברות תעשייתיות (NVIDIA, SCD, אקיוביט הולואור וסיון) וחוקרים מהטכניון ומהאוניברסיטה העברית. המאגד קם מתוך ההבנה ברשות החדשנות שויקסלים הם רכיב קריטי לתעשיות ישראליות רבות ומתוך הכרה בכך שבטכניון נמצאות המומחיות והתשתית למימוש ופיתוח ברמה תעשייתית. הצלחת הפרויקט מבוססת גם על שיתוף הפעולה של הטכניון עם הסניף הישראלי של NVIDIA, מלאנוקס לשעבר – שיתוף פעולה רצוף המתבטא גם בפעילויות מחוץ למאגד.

“הגורם העיקרי בהצלחה הוא כמובן הטכניון עצמו,” אומר פרופ’ איזנשטיין, ראש המכון לננו טכנולוגיה RBNI והמנהל הזמני של MNFU – המרכז לננואלקטרוניקה ע”ש שרה ומשה זיסאפל. לדבריו, “האחראי העיקרי להישג המרשים הוא פרופ’ מאיר אורנשטיין, ראש המעבדה לננו ומיקרופוטוניקה בפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי. מאיר עובד על ויקסלים מאז שנות השמונים, כששהה בארצות הברית, ויש לו תרומות משמעותיות ומתמשכות לטכנולוגיה הזאת ובהן ההמצאה שאפשרה את הייצור התעשייתי של ויקסלים.”

פרופ’-מחקר מוטי שגב

פרופ’ אורנשטיין תכנן את השכבות שמומשו בעזרת השותפים מ-NVIDIA, גיבש את התכן של מבנה הויקסל ופיקח על מימוש ההתקנים ב- MNFU. לדברי פרופ’ איזנשטיין, “צוות המהנדסים והטכנאים של MNFU, בראשות איה כהן, הדגים את היכולות המצוינות שלו והוכיח שניתן לפתח במעבדות הטכניון התקנים מורכבים ומסובכים לטובת צרכים קריטיים של התעשיה הישראלית.”

נציגי הטכניון במאגד הם שלושה חוקרים מהפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי: פרופ’ מאיר אורנשטיין, פרופ’-מחקר מוטי שגב ופרופ’ גדי איזנשטיין. חוקרי הטכניון הדגימו כאמור פיתוח ויקסלים שמיועדים לשעונים אטומיים זעירים. ההתקנים הוכחו כטובים יותר מויקסלים מסחריים שבהם משתמשת חברת השעונים האטומים אקיוביט, שגם היא משתתפת במאגד, בכל פרמטר שחשוב לפעולת השעון הזעיר.

המאגד מפתח גם ויקסלים לשימושים אחרים. חברת  NVIDIA מובילה במאגד את קבוצת העבודה המתמקדת בפיתוח ויקסל בעל יכולת העברת מידע גבוהה בהרבה מהקיים כיום, וזאת לצרכים של רשתות תקשורת אופטית עתידיות. הטכניון תורם למאמץ זה בעיקר באפיונים של הויקסלים המהירים.

פרופ’ גדי איזנשטיין

כיוון פיתוח נוסף במאגד הוא ויקסלים מרובים הפועלים כמקור מאוחד הפולט הספק גבוה בבהירות גבוהה. כיוון זה מרוכז על ידי חברת המ״מ ויש לו שני ערוצים. הראשון הוא מערך צפוף של ויקסלים הפולטים אור בצורה משותפת (קוהרנטית), שאותו המציא פרופ’ אורנשטיין, והוא מתוכנן ומיושם בשיתוף פעולה הדוק עם חברת המ״מ. השני מרוכז על ידי פרופ’ מחקר מוטי שגב. פרופסור שגב המציא את הלייזר הטופולוגי ועכשיו מפתח יחד עם חברת המ”מ מערך ויקסלים טופולוגיים שמהווים מקור אור רב עוצמה שחסין להפרעות חיצוניות.

ההישג הנוכחי של המאגד בהובלת הטכניון הדגים כאמור ויקסלים לשעונים אטומיים זעירים, ולדברי פרופ’ איזנשטיין, “ההצלחה הזאת מוכיחה את יכולתו של הטכניון לפתח כל סוג של ויקסל, ולא רק את אלה שהוגדרו במאגד, כמו גם רכיבים אופטו-אלקטרוניים אחרים שחשובים לתעשייה הישראלית.”

מרכז זיסאפל לננו-אלקטרוניקה ומרכז וולפסון למיקרואלקטרוניקה

פרופ’ מאיר אורנשטיין בוחן את תהליך החמצון הייחודי בחדר הנקי ב-MNFU

להבאתו של תחום המיקרואלקטרוניקה לישראל אחראי במידה רבה פרופ’ יצחק קדרון ז”ל, שהקים בשנת 1969 את המרכז ללימודי מיקרואלקטרוניקה בטכניון. שנים ספורות לאחר מכן, על רקע מלחמת יום כיפור, קיבל המרכז הצעיר משימה לאומית הרת גורל: לפתח טכנולוגיות לראיית לילה. אנשי המרכז סיפקו במהירות את הטכנולוגיה, הישג שמיצב את המרכז כמשאב לאומי חיוני. מעט לפני מותו ב-1987 הספיק פרופ’ קדרון לגייס את המשאבים הכספיים להקמתו של מבנה המרכז למיקרואלקטרוניקה על שם וולפסון בטכניון.

שלושים שנים אחר כך, ב-2007, נחנך מרכז זיסאפל לננואלקטרוניקה בנוכחות התורמים בוגרי הטכניון האחים זהר ויהודה זיסאפל. השניים הקדישו את התרומה להוריהם, שרה ומשה זיסאפל. בהסתכלות היסטורית, אין ספק שפעילות המיקרואלקטרוניקה בטכניון אחראית כמעט בלעדית להצלחות הרבות של תעשיית האלקטרוניקה הישראלית. מומחים בין-לאומיים רבים שמכירים היטב את הטכניון מציינים לעיתים קרובות ש”פעילות המיקרואלקטרוניקה בטכניון היא ערש תעשיית האלקטרוניקה הישראלית המשגשגת.”

כיום מכיל המרכז המשולב 700 מ”ר של חדרים נקיים, מה שהופך אותו למרכז התשתית הגדול בטכניון ולמרחב הגדול מסוגו באקדמיה בישראל בתחומי המיקרו והננו. במרכז פעילים כיום 17 עובדים, רובם מהנדסי תהליך עם ניסיון תעשייתי עשיר, והם מפעילים 52 מכשירים מתקדמים.

הצוות שעבד על הפרויקט. מימין לשמאל: יאנה מיליוטין, ד”ר ליאור גל, ולנטינה קורצ’נוי, עמית שחם, פרופ’ מאיר אורנשטיין, ד”ר אורנה טרניאק, ד״ר ויסוריאן (בסו) מיכאלשוילי, איה כהן, ארקדי גברילוב וגיא סרי

המרכזים למחקר במיקרו וננואלקטרוניקה תומכים במחקרים בכלל הפקולטות בטכניון וכן בשורה ארוכה של יחידות וגופים חוץ-טכניוניים. המרכז מספק שירותי פבריקציה לגורמים מסחריים וכן תמיכה בפיתוח מדגימים טכנולוגיים ו”מארח” חברות הזנק במעבדות ובחדרים הנקיים. לסטודנטים בטכניון מנגיש המרכז חוויית מו”פ ריאלית מאוד, הכוללת מגע ישיר עם הטכנולוגיה.

פרופ’ ניר טסלר, ראש המרכז לננואלקטרוניקה בטכניון מאז 2010, הנחיל במרכז תרבות של תיעוד, בדומה למקובל בתעשייה, כך שהידע מצטבר ומאפשר להגביה את הרף ללא הרף. לדבריו, “ההישג הנוכחי מאשר את מעמדנו כמקום המוביל בישראל לפיתוחים מהסוג הזה וכפלטפורמה מצוינת לשיתופי פעולה בין האקדמיה לתעשייה. לא פחות חשוב, התהליך עצמו העצים מאוד את עובדי המרכז שנרתמו לפתרון האתגר הזה בזמן קצר.”