Фотонные кристаллы: материал для ознакомления
Александр Ломоносовский. Фотонные кристаллы. По материалам зарубежной печати
Все большее число специалистов видят в фотонных кристаллах будущее оптической связи, а некоторые — и вычислительной техники вообще. Если использовать для передачи сигналов не электрический ток, а свет, то есть надежда достичь тактовых частот порядка 1000 ГГц.
В 1998 году западные информационные агентства сообщили, что в лаборатории Sandia National Laboratories, принадлежащей американскому Департаменту энергетики, разработана новая „светоизгибающая“ (light bending) технология, которая в недалёком будущем найдёт применение в телекоммуникационных сетях. Микроскопическая трёхмерная структура (получившая название фотонной решётки) создана на основе кремния и позволяет передавать когерентный свет в оптическом диапазоне длин волн с минимальными потерями. Эффективность передачи составляет 95 процентов, что значительно превосходит показатель стандартных светопередающих сред (около 30 процентов), используемых в настоящее время. При этом можно направлять лучи по сложной траектории, содержащей „изгибы“, практически под прямым углом в заданную точку. Решётка представляет собой пачку тонких кремниевых двухмерных дифракционных решёток, каждый слой которой повёрнут на 90 градусов относительно соседнего. Для создания работающей „фотонной решётки“ достаточно десяти таких слоёв.
При взгляде через микроскоп фотонная решётка похожа на подготовленный костёр, сложенный „колодцем“. Она обладает уникальной способностью изгибать траекторию световых волн определённой частоты практически в любом направлении и практически без потерь. Это изобретение может привести к существенному прогрессу в области телекоммуникаций и оптических компьютеров.
Решётка из перекрёстных диэлектрических полосок является „идеально“ отражающей средой для световых волн определённого диапазона частот, который называется „запрещённой зоной“. Световые волны этого диапазона не могут распространяться внутри решётки, а при наличии внутри неё полостей или нерегулярностей оказываются „захваченными“ такими „ловушками“. Создавая цепочки нерегулярностей, можно формировать световедущие каналы, при помощи которых открывается возможность изменять направление световых волн даже на острые углы. Потери на изгиб в таких устройствах практически отсутствуют, а радиус изгиба в пять-десять раз меньше, чем в использующихся сейчас устройствах интегральной оптики.
Идея фотонной решётки была предложена ещё в 1987 году Эли Яблоновичем, работающим сейчас профессором в Калифорнийском университете. Первый фотонный кристалл размером с бейсбольный мяч был создан в 1990 году, он управлял микроволновым излучением. Тогда же был создан кристалл размером уже с шарик для пинг-понга (в университете штата Айова), он тоже работал в микроволновом диапазоне. Первые кристаллы-решётки собирались вручную из обычных металлических иголок. В том же направлении работала и группа Иоаннопулоса в Массачусетсском технологическом институте.
Главное достижение лаборатории Sandia — технологический прорыв в область нанометровых трёхмерных структур. Об открытии было объявлено 16 июля1998 года, оно запатентовано, есть уже предложения от крупных промышленников, готовых организовать коммерческое производство. Современные решётки, созданные там Шоном Лин и Джимом Флеммингом, успешно работают в инфракрасном диапазоне (длины волн около десяти микрон). Мало того, исследователи не останавливаются на достигнутом и изготавливают решётку для полуторамикронных длин волн — именно в этом диапазоне сегодня передаётся информация по волоконно-оптическим кабелям. „У меня нет сомнений в том, что группа Лина добьётся успеха ещё в этом году“, — говорит профессор Вильнев из Массачусетсского технологического института.
Такая уверенность основана на том, что в лаборатории Sandia очень развита технология изготовления микроструктур из кремния, похожая на ту, что обычно используют при производстве компьютерных чипов. Многослойная кремниевая „вафля“ покрывается двуокисью кремния, затем в нём процарапываются канавки, которые заполняются полисиликоном. Слой полируется, и на него накладывается следующий с полосками в перпендикулярном первым направлении. После построения десятка или более слоёв двуокись кремния вытравляется при помощи кислоты, и остаётся объёмная решётка из полисиликоновых полосок толщиной 1,2 микрона и высотой 1,5 микрона с расстоянием между ними в 4,8 микрон. На шестидюймовом чипе можно разместить десяток тысяч таких решёток.
Подобное достижение означает революционный прорыв в создании оптического компьютера, мечты о котором давно будоражат умы изобретателей. Одним из главных препятствий на пути его создания была невозможность изгибать траектории лучей света на большие углы на малых расстояниях. Ведь если заменить провода в современных чипах световодами, то в устройстве размером со спичечный коробок световоды придется изгибать миллионы раз.
Первое применение фотонного кристалла — создание световедущих каналов. Современные световедущие каналы на основе оптического волокна не могут иметь крутых изгибов из-за недопустимого увеличения потерь, вызванного нарушением полного внутреннего отражения в них. Световедущие каналы в фотонном кристалле основаны на другом принципе: практически идеальное отражение света под любым углом от стенок световедущего канала обеспечивается наличием „запрещённой зоны“ для световой волны передаваемой частоты, препятствующей проникновению света в глубь фотонного кристалла.
Второе применение — это спектральное разделение каналов. Во многих случаях по оптическому волокну идёт не один, а несколько световых сигналов. Их бывает нужно рассортировать — направить каждый по отдельному пути. Например — оптический телефонный кабель, по которому идёт одновременно несколько разговоров на разных длинах волн. Фотонный кристалл — идеальное средство для „высечения“ из потока нужной длины волны и направления её туда, куда требуется.
Третье — кросс для световых потоков. Такое устройство, предохраняющее от взаимного воздействия световых каналов при их физическом пересечении, совершенно необходимо при создании светового компьютера и световых компьютерных чипов.
Специалисты по волоконной оптике сразу заинтересовались фотонными кристаллами, разглядев самые разные перспективы их использования для увеличения пропускной способности сетей. Чтобы увеличить объём передаваемых по волоконным световодам данных, надо создавать как можно более короткие оптические импульсы. Это определяется временем срабатывания эмиссионых диодов. Вторая проблема — волоконные световоды прозрачны в малом диапазоне длин волн. Третья проблема — на выходе информационных каналов требуются узкочастотные оптические фильтры и высокоскоростные оптические переключатели — своеобразные интегральные оптические схемы. Для них нужно создавать миниатюрные плоскостные волноводы.
Фотонные кристаллы могут помочь решить все эти проблемы. С их помощью можно сузить диапазон длин волн излучения в полупроводниковых лазерах и эмиссионных диодах или создать оптические фильтры с высокой селективностью. Главный недостаток существующих эмиссионных диодов и полупроводниковых лазеров в том, что они испускают фотоны в большой телесный угол и в широком частотном диапазоне. На основе фотонных кристаллов можно создать зеркало, которое будет отражать определённую волну света для любого выбранного угла и направления.
Такие трёхмерные зеркала были созданы в 1994 году в лаборатории Эймса (США) для СВЧ-волн. Для более коротких длин волн их разработали специалисты из Голландии и США. Эти структуры представляют собой специально уложенные кремниевые полоски — для СВЧ-волн — или специальным образом ориентированные крошечные (меньше микрона) кварцевые сферы в некотором коллоидном веществе.
Ещё одна перспективная технология в волоконной оптике — скоростные солитонные линии связи, которые отличаются от обычных высокой помехоустойчивостью и низким уровнем шумов. Солитоны — это устойчивые уединённые гребни волн, которые распространяются в среде как частицы. При взаимодействии друг с другом или с другими возмущениями они не разрушаются, а расходятся, сохраняя свою структуру неизменной. Разработка таких терабитных линий связи финансируется министерством телекоммуникаций Японии в размере около 4 млрд. долларов в год. Программа была начата в 1996 году и рассчитана на десять лет. В ней принимают участие все крупнейшие японские высокотехнологичные компании. К 2006 году планируется получить готовые к эксплуатации солитонные линии протяжённостью до 10 тыс. км. К сожалению, о российских разработках в этой области нам ничего неизвестно.
