Однажды привычная электронная технология может быть вытеснена фотоникой. Тогда современные скорости вычислений и передачи данных покажутся людям невообразимо медленными. Но, прежде чем это случится, учёным нужно будет решить ряд проблем.
Идея заменить манипуляции с электронами на "махинации" с фотонами – очень стара. Уже, наверное, десятилетие-другое мы слышим предсказания о скорейшей замене классических компьютеров оптическими. Но, несмотря на обилие экспериментов, воз и ныне там. Правда, на определённых участках Всемирной паутины по оптическим кабелям давно передают огромные массивы данных, но, в конечном счёте, всё равно мы имеем дело с электронными компьютерами.
Казалось бы, лазерная техника (в том числе – очень миниатюрная), оптические волокна, светодиоды и фотоприёмники, линзы и призмы – давно позволяют нам построить фотонные аналоги кремниевых микросхем.
Но вот с "микро-" как раз и загвоздка. Оказывается, научиться управлять короткими импульсами света в схемах наномасштаба – не так просто. Общество исследования материалов назвало Пэйдуна Яна "выдающимся молодым исследователем 2004 года" за работы в области нанофотоники.
Важные шаги в этом направлении проделали недавно специалисты американской Национальной лаборатории в Беркли (Berkeley Lab) и университета Калифорнии там же (University of California, Berkeley). Они научились создавать тончайшие оптические проводники и составлять из них необычайно миниатюрные схемы. Лидером данного исследования является Пэйдун Ян (Peidong Yang), сотрудник лаборатории. "Мы смогли собрать лазеры и полупроводниковые волноводы в наноструктуры, которые иллюстрируют, как свет может быть передан между узлами, — говорит Ян — Мы также ввели новую прикладную область для нанолент и нанопроводов — оптические волноводы наномасштаба в жидких средах, что очень пригодится для исследований, к примеру, в биологии и химии".
Квадрат из четырёх скрещивающихся лент представляет прототип логической фотонной схемы нанометрового масштаба. Вход – слева внизу. Цифрами обозначены выходы. На вставке – сильно увеличенное перекрестие. Ширина лент – 300-400 нанометров.
Нанопровода и наноленты, которые создали Ян и его коллеги – это цельные кристаллы, которые достигают миллиметра в длину, но только несколько десятков или сотен нанометров в толщину. Эти ленты и волокна могут служить оптическими волноводами для того, чтобы направлять фотоны через сложные схемы, в том числе – за счёт переизлучения (фотолюминесценции). Пока фотонная логическая система на одном чипе размером с обычные электронные микросхемы не создана, но американские исследователи приближаются к этому рубежу.
Они показали как нанолазеры, созданные с применением оксида цинка или нитрида галлия, соединяются с оптическими волокнами (из оксида олова) такого же нанометрового масштаба и заставляют свет бегать от узла к узлу, поворачивать и ветвится.
Кроме того, сети на основе оксида олова могут выступать в роли оптических фильтров, управляющих длинами волн проходящих импульсов и разделяющих их по различным "выходам". Всё это пригодится при разработке логических схем для фотоники. И, возможно, самым интригующим результатом данной работы можно назвать создание и апробацию оптических нановолноводов, которые могут управлять светом в зависимости от его взаимодействия с жидкостью. Точнее, свойства самой жидкости могут менять параметры сигнала на выходе такого волновода.
Капля подкрашенной жидкости посажена на наноленту в точке, где в ленте сделано небольшое углубление. Исходный оптический импульс попадает в жидкость, поглощается и переизлучается на другой конец волновода).
Это открывает возможность построения оптических чипов, анализирующих химический или биологический состав капель, помещённых на их поверхность. Специалисты полагают, что полностью фотонный Интернет мог бы выдавать данные на скорости 160 гигабит в секунду.
Увы, время, которое пройдёт прежде, чем оптические машины завоюют мир – рассчитать трудно. Для массового производства компонентов фотоники нужно научиться создавать те самые нановолноводы в гигантских количествах и при соблюдении колоссальной точности их геометрии. Сейчас Ян и его группа исследуют несколько многообещающих методов для того, чтобы достигнуть этой цели. Свет в конце "туннеля", то есть — мечты о полностью оптических вычислениях — кажется, забрезжил. |
