Jauna cerība uz optisko signālu apstrādi

Gadu desmitiem ilgi pētnieki, kas izstrādā elektroniku, ir guvuši milzīgus panākumus, attīstot gandrīz jebkuru lietojumprogrammu, kas saistīta ar informācijas apstrādi: saskaņā ar Mūra likumu datu blīvums elektroniskajā mikroshēmā ir dubultojies ik pēc 18 mēnešiem. Lai gan šī eksponenciālā izaugsme, visticamāk, turpināsies kādu laiku, ir paredzams, ka raksturīgie fiziskie ierobežojumi neļaus tai turpināties bezgalīgi. Daži no šiem ierobežojumiem jau ir acīmredzami: tā kā datoru elektronika ir spiesta darboties arvien augstākās frekvencēs, jaudas izkliede un no tā izrietošā aparatūras apkure kļūst par ļoti nopietnu problēmu. Optisko telekomunikāciju tīklu mezglos, kur datus nepieciešams apstrādāt elektroniski īpaši augstās darbības frekvencēs, problēma ir vēl būtiskāka.

Ērika Hansona ilustrācija

Saprotot, ka elektroniskā signālu apstrāde galu galā saskarsies ar fundamentāliem fiziskiem ierobežojumiem, inženieri 80. gadu sākumā pētīja iespēju izveidot optisku datoru, kurā datus pārnēsā gaisma (fotoni), nevis uzlādēti nesēji (elektroni). Viņiem nebija viegli. Patiesai pilnībā optiskai signālu apstrādei ir nepieciešams veids, kā ar pašu gaismu ietekmēt gaismu. Tas ir, ir jāizmanto materiāli ar optiskām īpašībām, kuras var mainīt gaismas signāla klātbūtne; to var izmantot, lai ietekmētu citu gaismas signālu, tādējādi veicot visu optisko signālu apstrādes darbību. Diemžēl šie efekti mēdz būt ārkārtīgi vāji, tāpēc piedāvātie 80. gadu optiskās loģikas elementi bija pārāk lieli; tie patērēja daudzkārt pārāk daudz enerģijas, lai būtu iespējams. Cilvēki optisko signālu apstrādi sāka uzskatīt par nepraktisku.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2006. gada novembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Tomēr tagad, kad elektronikas robežas tuvojas daudz tuvāk, inženieri atkal ir sākuši pievērsties optikai. Patiešām, visticamāk, datu transportēšana starp dažādām galddatoru komponentēm (starp dažādām procesora daļām un starp atmiņu un procesoru) drīz tiks veikta optiski. Pieaugot nepieciešamībai pēc fiziskiem mehānismiem, kas uzlabo mūsu spēju manipulēt ar gaismu, fotoniskie kristāli (kas tika izgudroti 1987. gadā) ir parādījušies kā daudzsološs veids, kā to apmierināt.

Fotoniskie kristāli ir mākslīgi radīti nanostrukturēti metamateriāli, kuru optiskās īpašības periodiski mainās atkarībā no gaismas viļņa garuma skalas. Fotoniskie kristāli, kurus dažreiz sauc par fotonu pusvadītājiem, piedāvā nepieredzētas iespējas gaismas plūsmas veidošanai. Piemēram, tie ir izmantoti, lai izveidotu pilnībā optiskus slēdžus, kuru izmērs ir mazāks par mikrometru un ir par vienu pakāpi ātrāks nekā komerciālajā elektronikā izmantotie tranzistori. Turklāt ir ierosināti fotonisku kristālu modeļi, kas varētu nodrošināt nelineāru mijiedarbību pat starp atsevišķiem fotoniem. Tādējādi šie materiāli varētu krasi mainīt uzskatu, ka optiskā mijiedarbība ir pārāk vāja, lai to izmantotu signālu apstrādei.

Optiskās tehnoloģijas turpinās iekļūt elektroniskajos dizainos, un fotoniskajiem kristāliem būs liela nozīme, lai tas būtu iespējams. Tādējādi informācijas apstrādi tuvākajā nākotnē, iespējams, veiks hibrīdie elektroniskie un optiskie dizaini, un optika ieņems arvien nozīmīgāku lomu.

Marins Soljačičs ir MIT fizikas docents un šī gada TR35 dalībnieks.

paslēpties