Nowa nadzieja na przetwarzanie sygnałów optycznych

Przez dziesięciolecia badacze rozwijający elektronikę odnosili ogromny sukces, rozwijając prawie każdą aplikację związaną z przetwarzaniem informacji: zgodnie z prawem Moore'a gęstość danych na chipie elektronicznym podwaja się co 18 miesięcy. Chociaż ten wykładniczy wzrost prawdopodobnie będzie trwał przez jakiś czas, oczekuje się, że nieodłączne fizyczne ograniczenia zapobiegną jego utrzymywaniu się w nieskończoność. Niektóre z tych ograniczeń są już widoczne: ponieważ elektronika w komputerach jest zmuszona do pracy na coraz wyższych częstotliwościach, rozpraszanie mocy i wynikające z tego nagrzewanie się sprzętu staje się bardzo poważnym problemem. W węzłach optycznych sieci telekomunikacyjnych, w których dane muszą być przetwarzane elektronicznie na szczególnie wysokich częstotliwościach operacyjnych, problem jest jeszcze większy.

Ilustracja autorstwa Erica Hansona

Zdając sobie sprawę, że elektroniczne przetwarzanie sygnałów w końcu napotka fundamentalne fizyczne ograniczenia, inżynierowie na początku lat 80. zbadali możliwość zbudowania komputera optycznego, w którym dane byłyby przenoszone przez światło (fotony) zamiast przez naładowane nośniki (elektrony). Nie mieli łatwo. Prawdziwe, całkowicie optyczne przetwarzanie sygnału wymaga sposobu wpływania na światło za pomocą samego światła. Oznacza to, że należy używać materiałów o właściwościach optycznych, które można modyfikować przez obecność sygnału świetlnego; można to wykorzystać do wpływania na inny sygnał świetlny, wykonując w ten sposób całkowicie optyczną operację przetwarzania sygnału. Niestety, efekty te wydają się być niezwykle słabe, więc proponowane elementy logiki optycznej z lat 80. były zbyt duże; zużywali rzędy wielkości zbyt dużo energii, aby było to wykonalne. Ludzie zaczęli postrzegać przetwarzanie sygnału optycznego jako niepraktyczne.

Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 2006 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Teraz jednak, gdy granice elektroniki są coraz bliżej, inżynierowie ponownie zaczęli zwracać się w stronę optyki. Rzeczywiście, jest prawdopodobne, że transport danych między różnymi komponentami komputerów stacjonarnych (między różnymi częściami procesora oraz między pamięcią a procesorem) będzie wkrótce realizowany optycznie. W miarę wzrostu zapotrzebowania na mechanizmy fizyczne, które poprawiają naszą zdolność do manipulowania światłem, kryształy fotoniczne (wynalezione w 1987 r.) okazały się obiecującym sposobem na zaspokojenie tego.

Kryształy fotoniczne to sztucznie wytworzone nanostrukturalne metamateriały, których właściwości optyczne zmieniają się okresowo w skali długości fali światła. Kryształy fotoniczne, czasami nazywane półprzewodnikami dla fotonów, oferują niespotykane dotąd możliwości kształtowania przepływu światła. Na przykład zostały wykorzystane do stworzenia całkowicie optycznych przełączników, które są mniejsze niż mikrometr io rząd wielkości szybsze niż tranzystory używane w elektronice komercyjnej. Co więcej, zaproponowano projekty kryształów fotonicznych, które mogą umożliwić nieliniową interakcję nawet między pojedynczymi fotonami. Materiały te mogą zatem radykalnie zmienić pogląd, że interakcje optyczne są zbyt słabe, aby wykorzystać je do przetwarzania sygnałów.

Technologie optyczne będą coraz głębiej wnikać w projekty elektroniczne, a kryształy fotoniczne będą odgrywać główną rolę w umożliwieniu tego. Przetwarzanie informacji w niedalekiej przyszłości będzie więc prawdopodobnie realizowane przez hybrydowe konstrukcje elektroniczne i optyczne, przy czym optyka będzie odgrywać coraz ważniejszą rolę.

Marin Soljacic jest adiunktem fizyki na MIT i członkiem tegorocznego TR35.

ukryć