Экзотические фотонные кристаллы, похоже, превращаются из объекта любопытства ученых в предмет интереса ведущих высокотехнологичных фирм.

Речь идет об искусственных кристаллах с оптическим аналогом зонной структуры полупроводников. Фотонные кристаллы изготавливаются на основе какого-либо прозрачного диэлектрика, в котором упорядоченным образом создано некоторое количество воздушных «дырок», и, таким образом, свет распространяется через среду, имеющую как высокие коэффициенты отражения (диэлектрик), так и низкие (воздушные «дырки»). Этот контраст коэффициентов отражения для фотона играет ту же роль, что и периодический потенциал для электрона в полупроводнике. Следовательно, в фотонном кристалле формируются, в полной аналогии с полупроводниками, разрешенные и запрещенные зоны («фотонные зоны»); кристалл будет блокировать свет с длиной волны, соответствующей запрещенной «фотонной зоне», тогда как свет с другими длинами волн будет распространяться беспрепятственно (своеобразный оптический фильтр). В фотонном кристалле также можно создавать энергетические уровни в запрещенных зонах посредством изменения диаметра воздушных «дырок».

Впервые фотонная структура в диапазоне СВЧ была реализована Эли Яблоновичем, сотрудником компании Bell Labs, в конце 80-х; по имени создателя первый фотонный кристалл назвали «яблоновит». Но прошло еще почти десять лет, прежде чем были созданы фотонные кристаллы, работающие в ближней инфракрасной области спектра (780-3000 нм) и в видимой области (450-750 нм).

Специалисты по волоконной оптике сразу заинтересовались фотонными кристаллами, увидев в них потенциал для увеличения пропускной способности сетей. Один из путей увеличения объема данных, передаваемых по волоконным световодам, — создавать оптические импульсы как можно меньшей длительности, а это определяется временами срабатывания эмиссионных диодов; другой путь — спектральное уплотнение каналов, и основная трудность здесь заключается в том, что волоконные световоды прозрачны в малом диапазоне длин волн, поэтому количество передаваемых оптических импульсов ограничено разностью частот между соседними каналами.

На выходе каналов информации требуются узкочастотные оптические фильтры и высокоскоростные оптические переключатели; другими словами, требуются своеобразные «интегральные оптические чипы». Эта интеграция, в свою очередь, порождает проблемы иного рода, например, необходимо создавать миниатюрные плоскостные волноводы.

Фотонные кристаллы могут помочь избежать перечисленных трудностей; эти структуры способны привести к созданию эмиссионных диодов или же полупроводниковых лазеров с очень узким диапазоном длин волн излучения, а также к созданию чрезвычайно селективных оптических фильтров, встраиваемых в «интегральный оптический чип».

Самым большим недостатком существующих эмиссионных диодов, или полупроводниковых лазеров, играющих ключевую роль в коммуникационных системах, является то, что ими испускаются фотоны в большой телесный угол и в достаточно широком частотном интервале. Конечно, можно добиться, чтобы фотоны испускались в одном направлении, например, поставив рефлектор сразу за фотоэмиссионным слоем; но тогда эффективность устройства будет определяться эффективностью рефлектора.

На основе же фотонных кристаллов можно создать зеркало, которое будет отражать селективную длину волны света для любого выбранного угла и направления; более того, такое зеркало вкупе с фотоэмиссионным слоем позволит создать излучающий диод с нужной длиной волны и нужным направлением.

Такие трехмерные зеркала были созданы для диапазона СВЧ в 1994 году Экмелом Озбеем, сотрудником Ames Lab; для более коротковолнового спектрального диапазона зеркала были созданы Юдит Винхоффен и Виллемом Воссом из Амстердамского университета (Голландия), а также Джоном Хольцем из Питтсбургского университета (США). Эти структуры представляли собой либо специальным образом уложенные кремниевые полоски (в случае СВЧ-диапазона), либо специальным образом ориентированные субмикронные кварцевые сферы в коллоидной суспензии.

Сообщения о фотонных кристаллах возродили зачахшие на какое-то время разговоры об оптических вычислителях. Если использовать для передачи сигналов не носители тока, а свет, то, по-видимому, удастся реализовать тактовые частоты порядка 1 ТГц, то есть величину на три порядка большую, чем у современных традиционных кремниевых микросхем.


Солитонные терабитные линии

Еще одна перспективная технология в волоконной оптике — высокоскоростные солитонные линии связи, которые от обычных отличаются большей помехоустойчивостью и гораздо более низким уровнем шумов. Солитоны — распространяющаяся в нелинейной среде структурно устойчивые уединенные волны, которые ведут себя подобно частицам: при взаимодействии друг с другом или с другими возмущениями они не разрушаются, а расходятся, сохраняя свою структуру неизменной.

Разработка таких терабитных линий связи осуществляется в рамках программы STAR. Интересно, что финансирование программы осуществляется на государственном уровне министерством почт и телекоммуникаций Японии в размере 4 млрд. долл. в год. Программа началась в 1996 году и рассчитана на 10 лет, имея целью получить к 2004-2006 году протяженные (до десятков тысяч километров) солитонные линии связи. Разумеется, все ведущие и богатые японские компании — NEC, Mitshubishi Electric, Toshiba, Fujitsu и др. участвуют в этом проекте. Фактически все последние японские разработки, направленные на увеличение пропускной способности каналов, — это экспериментальные работы по солитонным линиям связи.

Возглавляет программу физик-теоретик Акиро Хосигава; он также возглавляет международный Центр поддержки исследований в области телекоммуникаций, куда входят специалисты Германии, Франции, Великобритании, Японии; как подчеркивалось в сообщении об этом проекте, Соединенные Штаты не ведут собственных экспериментальных работ по этим линиям исследований, участвуя в работе центра также в минимальной степени.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями