Nauja optinio signalo apdorojimo viltis

Dešimtmečius elektroniką kuriantys mokslininkai turėjo didžiulę sėkmę plėtodami beveik visas programas, susijusias su informacijos apdorojimu: vadovaujantis Moore'o įstatymu, duomenų tankis elektroninėje lustoje padvigubėja kas 18 mėnesių. Nors tikėtina, kad šis eksponentinis augimas tęsis kurį laiką, tikimasi, kad būdingi fiziniai apribojimai neleis jam tęstis neribotą laiką. Kai kurie iš šių apribojimų jau akivaizdūs: kadangi kompiuterių elektronika yra priversta veikti vis aukštesniu dažniu, galios išsklaidymas ir dėl to aparatūros įkaitimas tampa labai rimta problema. Optinių telekomunikacijų tinklų mazguose, kur duomenis reikia apdoroti elektroniniu būdu ypač dideliais veikimo dažniais, problema dar didesnė.

Erico Hansono iliustracija

Suprasdami, kad elektroninio signalo apdorojimas galiausiai susidurs su esminiais fiziniais apribojimais, devintojo dešimtmečio pradžioje inžinieriai ištyrė galimybę sukurti optinį kompiuterį, kuriame duomenis perneštų šviesa (fotonai), o ne įkrauti nešikliai (elektronai). Jiems nebuvo lengvas laikas. Tikram optiniam signalų apdorojimui reikalingas būdas paveikti šviesą pačia šviesa. Tai reiškia, kad reikia naudoti medžiagas, turinčias optinių savybių, kurias galima modifikuoti esant šviesos signalui; tai gali būti naudojama paveikti kitą šviesos signalą ir taip atlikti optinio signalo apdorojimo operaciją. Deja, šie efektai būna itin silpni, todėl pasiūlyti 1980-ųjų optinės logikos elementai buvo per dideli; jie sunaudojo per daug energijos, kad būtų įmanoma. Žmonės optinio signalo apdorojimą pradėjo vertinti kaip nepraktišką.

Ši istorija buvo mūsų 2006 m. lapkričio mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Tačiau dabar, kai elektronikos ribos artėja, inžinieriai vėl pradėjo kreiptis į optiką. Iš tiesų, tikėtina, kad duomenų perdavimas tarp įvairių stalinių kompiuterių komponentų (tarp skirtingų procesoriaus dalių ir tarp atminties bei procesoriaus) netrukus bus atliktas optiškai. Augant fizinių mechanizmų, gerinančių mūsų gebėjimą valdyti šviesą, poreikiui, fotoniniai kristalai (kurie buvo išrasti 1987 m.) pasirodė kaip perspektyvus būdas tai patenkinti.

Fotoniniai kristalai yra dirbtinai sukurtos nanostruktūrinės metamedžiagos, kurių optinės savybės periodiškai kinta šviesos bangos ilgio skalėje. Fotoniniai kristalai, kartais vadinami fotonų puslaidininkiais, suteikia precedento neturinčias galimybes formuoti šviesos srautą. Pavyzdžiui, jie buvo naudojami sukurti visiškai optinius jungiklius, kurių dydis yra mažesnis nei mikrometras ir yra daug greitesnis nei komercinėje elektronikoje naudojami tranzistoriai. Be to, buvo pasiūlytos fotoninių kristalų konstrukcijos, kurios galėtų sudaryti sąlygas netiesinei sąveikai net tarp pavienių fotonų. Taigi šios medžiagos gali dramatiškai pakeisti požiūrį, kad optinė sąveika yra per silpna, kad būtų galima naudoti signalams apdoroti.

Optinės technologijos vis giliau įsiskverbs į elektroninius dizainus, o fotoniniai kristalai vaidins svarbų vaidmenį, kad tai būtų įmanoma. Taigi artimiausioje ateityje informacijos apdorojimas greičiausiai bus atliktas naudojant hibridines elektronines ir optines konstrukcijas, o optika užims vis svarbesnį vaidmenį.

Marin Soljacic yra MIT fizikos docentas ir šių metų TR35 narys.

paslėpti