Фотонные «полупроводники»: свет вместо электронов

На днях появилась новость «Фотонный чип революционизирует информационные технологии». Речь шла о микроэлектронных устройствах, в которых вместо электрических импульсов использовались бы световые.

В принципе, оптические вычисления уже не раз освещались в компьютерной прессе, в том числе и на страницах нашего издания. Однако при более близком знакомстве с указанной темой выяснилось, что идея и в самом деле революционная и достойна отдельной статьи.

Как отметил Джон в одной из своих статей в журнале Nature, в случае полупроводников вначале ученые нашли сами материалы, а потом уже обнаружили эффект локализации электронов. Что же касается локализации света, то сначала было предсказано само явление, а затем начались работы по созданию материалов, в которых оно бы присутствовало.

Исследования в данном направлении в настоящее время ведутся во всем мире — например в университетах Монпелье и Амстердама, Броуновском, а также Вейцмановском институте. Однако дальше всех, похоже, смогли продвинуться ученые все того же Университета Торонто в сотрудничестве со специалистами из Политехнического университета Валенсии и Мадридского института материаловедения — сообщения об их последних достижениях появились буквально в конце мая.

Канадским и испанским ученым удалось разработать простой и недорогой метод синтеза трехмерных PBG-структур, в которых область локализации фотонов составляет порядка 1,5 мкм. Это кристаллы кремния с правильно расположенными сферическими полостями, куда вводится жидкокристаллическое вещество. Не вдаваясь в технические подробности, отметим лишь, что получают их путем выращивания на своеобразном «каркасе» из опаловых шариков, вытравливаемых затем с помощью кислоты.

Возникает вопрос: насколько все это серьезно? Ответить на него сейчас, наверное, очень и очень сложно. Специалисты, принимавшие участие в указанных разработках, считают их очень перспективными. К примеру, руководитель фирмы Photonics Research of Ontario, помогающей в проведении исследований, сравнил их результаты с изобретением транзистора — по его мнению, они станут основой новой индустрии с оборотом в триллионы долларов. С другой стороны, рассматриваемая область еще очень молода, да и сама идея замены электрического тока светом пока кажется чересчур фантастичной. Поэтому не станем гадать на кофейной гуще, а поставим в конце статьи многоточие...

Данная разработка опирается на явление локализации световых волн, возможность которой была показана в 80-х годах Сэдживом Джоном (Sajeev John), ныне профессором Университета Торонто.

Оказывается, если электромагнитные свойства среды изменяются по определенному закону, то в ней иногда возникают состояния, в которых фотоны находиться не могут, — так называемые фотонные запрещенные зоны (PBG — photonic band gap). Это означает, что в данной среде свет может иметь не любую длину волны и не любое направление распространения (термин «локализация» тут в некотором смысле жаргонный, поскольку свет не локализуется в пространстве). Здесь можно провести своего рода аналогию с запрещенными зонами и локализацией электронов в полупроводниках — они, как известно, являются основой особых проводящих свойств полупроводников. Более полная информация по данному вопросу доступна через Web-страницу Сэджива Джона — http://www.physics.utoronto.ca/~john/.

Для тех, кто не знаком с зонной теорией твердых тел, поясним, что фактически речь идет о создании структур, которые по отношению к свету обладали бы в некотором смысле теми же свойствами, что полупроводники по отношению к электрическому току, т.е. о замене электронов фотонами, если можно так выразиться, на самом низком уровне. При этом совершенно не имеется в виду технология устройств со встроенными оптоволоконными схемами или еще что-нибудь в этом роде.

Безусловно, свет имеет немало преимуществ перед электронами. Например, световые потоки, в отличие от потоков электронов, никак не взаимодействуют, и потому могут быть сведены очень близко и даже пересекаться друг с другом; прохождение света через вещество не вызывает столь большого выделения энергии, как электрический ток, и т.д. Таким образом, появляется возможность создания очень быстрых и миниатюрных вычислительных схем. (К слову, принципы построения световых коммутаторов и транзисторов и были описаны Джоном в журнале Physical Review еще в 1997 г.) Кроме того, разработка оптических вычислительных устройств приобретает дополнительную актуальность вследствие бурного развития оптоволоконных коммуникационных технологий.

Проблема заключается в том, что создание PBG-материалов представляет собой очень непростую задачу. Для локализации фотонов необходимо соблюдение целого ряда специфических условий — именно поэтому в природных диэлектриках данное явление не наблюдается. В качестве примера можно, скажем, привести тот факт, что локализация света возможна лишь в определенном, достаточно узком интервале длин волн.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365