Bell Laboratories — научно-исследовательский и конструкторско-технологический центр корпорации Lucent Technologies, вклад которого в развитие мира телекоммуникаций трудно переоценить
СОГЛАСНО некоторым оценкам, среднестатистическая семья использует не менее 25 устройств, ведущих свое начало от стен Bell Labs. В последние годы одно из ключевых направлений исследований, которыми занимаются сотрудники центра, связано с оптическими сетями. Несмотря на существенный прогресс, достигнутый в этой области, в частности, появление полностью оптических коммутаторов, работы в данном направлении не прекращаются. О некоторых наиболее перспективных разработках Bell Labs научному редактору Сетей Павлу Иванову рассказал Флавио Пардо, руководитель исследований в области новых оптических и микроэлектромеханических систем (MEMS).
Для начала я хочу попросить вас очертить общий круг проблем, которыми занимается ваше подразделение.
Основная сфера наших интересов — микро- и нанотехнологии, а также их применение в телекоммуникационных устройствах. Сюда относится, например, создание микроэлектромеханических систем зеркал для оптической коммутации и кремниевых микропружин, которые служат для управления ориентацией этих зеркал. Другая перспективная разработка — технология планарных оптических интегральных схем (Planar Light Circuit, PLC), позволяющая в одном чипе совместить несколько элементов оптического тракта. В таких микросхемах можно реализовать поддержку технологии спектрального мультиплексирования (WDM), поэтому в сочетании с MEMS-системами они позволяют построить WDM-коммутаторы с независимой адресацией канальных соединений между входными и выходными интерфейсами. К области микротехнологий относятся также работы по созданию быстродействующих электронных компонентов, квантовых каскадных лазеров, оптоэлектронике на основе фосфида индия, а также цифровая голография и ее многочисленные применения.
В Bell Labs ведется ряд фундаментальных разработок. Так, в нашей лаборатории был создан высокочувствительный магнитометр, который можно использовать для изучения свойств сверхпроводников.
К фундаментальным относятся и исследования в сфере нанотехнологий. В стенах Bell Labs разрабатывается технология формирования нанопор в кремниевых структурах, которая в будущем сможет существенно удешевить процесс определения последовательностей клеточных ДНК. Другая разработка — так называемый наногазон, образованный сверхгидрофобными кремниевыми структурами, пришитыми к твердой подложке. Такой наногазон благодаря эффекту электросмачивания может использоваться для охлаждения микросхем, создания источников питания нового поколения или экпресс-анализа неизвестных молекул (биологическая лаборатория на чипе).
Мой следующий вопрос относится собственно к микромеханическим устройствам. Как известно, полностью оптический коммутатор LambdaRouter производства фирмы Lucent, вобравший в себя многие разработки в данной области, уже не первый год присутствует на рынке. Каковы дальнейшие направления исследований в сфере MEMS?
LambdaRouter — проект, который мы относим к так называемой категории «временной заморозки». Он отставлен в сторону в качестве завершенного проекта до тех пор, пока кому-либо не потребуется вновь вернуться к нему. Кстати, все разработки, положенные в основу коммутаторов LambdaRouter, были выполнены силами нашей группы. Сейчас мы в полной мере используем опыт, накопленный при создании этого продукта.
Наши сегодняшние усилия нацелены на разработку других типов оптических MEMS-микроустройств. В качестве примера можно назвать оптические мультиплексоры ввода/вывода с перестраиваемой конфигурацией. Пока этот проект находится на исследовательской стадии, но его результаты должны найти воплощение в будущих продуктах Lucent Technologies, относящихся к семейству LambdaXtreme.
В таком случае можно ли утверждать, что исследования, связанные с созданием полностью оптических коммутаторов, прежде всего с управлением системой зеркал, которые обеспечивают коммутацию оптических сигналов, завершены?
Нет, они продолжаются. О завершении можно говорить только применительно к упомянутому вами продукту, LambdaRouter. Нам удалось решить задачу оптимизации MEMS-системы для этого устройства. Однако мы продолжаем разрабатывать другие семейства оборудования. Они похожи на LambdaRouter системой зеркал и управляющими микромеханизмами, но отличаются множеством других компонентов, над которыми мы сейчас и работаем.
Вопрос, который неизбежно возникает в связи с полностью оптическими коммутаторами. Не думаете ли вы, что механизмы управления системой зеркал, которые по-прежнему регулируются электрическими сигналами, в какой-то момент перестанут поспевать за потребностями коммутации оптического трафика? Не могут ли они превратиться в основной барьер на пути дальнейшего наращивания производительности этих устройств и оптических сетей в целом?
Думаю, что нет. Основное преимущество полностью оптических коммутаторов в том, что в них не происходит преобразования оптических сигналов в электрическую форму и обратно. Как вы верно заметили, электрическими остаются только сигналы, управляющие движением зеркал, однако ориентацию последних не требуется менять очень быстро, ведь зеркала только перенаправляют входной поток на тот или иной выходной порт. Сами данные модулируются с очень высокой скоростью, но между двумя последовательными изменениями позиции зеркал коммутатор должен передать с одного порта на другой довольно большой объем данных, так что сами изменения ориентации случаются относительно редко. Изменение ориентации может занимать несколько микросекунд или миллисекунд. Именно за такое время происходит изменение конфигурации сети: на одних узлах добавляются новые оптические каналы, на других они выводятся из игры. Сравните времена этих процессов с продолжительностью операций реконфигурирования сети вручную, которые могут занять у администратора нескольких дней, если не недель. На этом фоне реконфигурирование оптической сети, включая изменение схемы коммутации сигналов в оптических устройствах, происходит чрезвычайно быстро.
Теперь я хочу попросить вас рассказать об использовании планарных технологий для построения оптических интегральных схем, которые в Bell Labs получили название «система на кристалле» (system on a chip). Правильно ли я понимаю, что, при всей привлекательности идеи интегрировать несколько компонентов оптического тракта в одной микросхеме, излучающему лазеру может попросту не хватить мощности для передачи оптических сигналов на большие расстояния?
В самом деле, интегральные микросхемы, построенные по технологии PLC, не универсальны и будут предназначены для использования лишь в некоторых видах оборудования оптических сетей. В ряде случаев производителям законченных устройств потребуется использовать более мощный лазер, более эффективную систему охлаждения и другие компоненты, которые не могут быть реализованы в пределах одной микросхемы. Но если параметры лазера и других элементов будут удовлетворять требованиям, предъявляемым к подобным устройствам, то выгоды от использования технологии PLC проявятся в полной мере. На уровне одной микросхемы удастся реализовать функции мультиплексирования и демультиплексирования сигналов, их коррекции или ослабления, особенно при сочетании PLC-микросхем и систем MEMS. Надо будет только вывести оптоволокно из лазера, размещенного на этой микросхеме, либо ее саму приклеить к лазеру. Даже если лазер и приемник лучше исключить из состава компонентов микросхемы (в связи с их большими размерами или необходимостью интенсивного охлаждения), все равно множество функций может быть реализовано в одном чипе. В конечном счете все зависит от соотношения цена/производительность, так что решение должно приниматься с учетом этого показателя в каждом конкретном случае.
А придется ли при этом использовать внешние оптические усилители?
Не обязательно. В Bell Laboratories создана технология интеграции усилителей в те же PLC-микросхемы. Вопрос лишь в том, какую задачу надо решить, какая степень усиления является достаточной. Одно дело — скомпенсировать потери, чтобы корректно обработать принятый сигнал в оптической микросхеме, и совсем другое — во много раз увеличить его интенсивность. Во втором случае без внешнего усилителя не обойтись.
После того как большая часть функций обработки оптических сигналов будет реализована на уровне PLC-микросхем, где такие чипы найдут применение в первую очередь? И как будут выглядеть основанные на них оптические устройства?
Как показывает наш опыт, чем больше операций выполняется непосредственно над оптическими сигналами, тем меньше становится потребность их перевода в электрическую форму. Один из примеров использования планарных оптических микросхем связан с построением мультиплексоров ввода/вывода, о которых я уже говорил. Однако теперь вы сможете не только убирать существующие каналы или добавлять новые, но и реализовать ослабление сигналов в индивидуальных каналах до необходимого уровня, компенсацию оптической дисперсии, изменение полосы пропускания отдельных каналов (channel reshaping) и т. д.
Развитие технологии MEMS открывает возможность построения более сложных систем зеркал, которые позволят выполнять множество дополнительных операций с одним каналом. Коммутацией сигналов дело уже не ограничится. Главный же факт состоит в том, что реализация подобных функций не приведет к заметному усложнению оптического оборудования.
В таком случае и стоимость оптических коммутаторов останется практически на прежнем уровне?
В ряде случаев так оно и будет. Реализация новых функций путем применения PLC-микросхем может потребовать перепроектирования соответствующего оптического устройства, и тогда его стоимость возрастет. Но многие функции удается добавить без удорожания оборудования, особенно при правильном дизайне самой микросхемы. Скажем, реализация функции ослабления оптических сигналов поверх селективной коммутации сигналов не требует дополнительных затрат. Посудите сами: при точно выставленном угле отражающего зеркала происходит оптическая коммутация. Если же угол взят несколько большим или несколько меньшим, то мы дополнительно получаем ослабление сигнала. Таким образом, все будет зависеть от интеллектуальности и настройки системы управления зеркалами.
В этом основное преимущество MEMS-систем. Построение более сложных механических структур, расширение их функциональности зачастую не влечет за собой роста стоимости оборудования. В то же время усовершенствование других компонентов, тех же лазеров, может отразиться на его цене.
Что касается технологии PLC, то прямым следствием ее применения должна стать миниатюризация оптических устройств. Интегральная оптическая микросхема, система MEMS да линзы — вот и вся их «начинка». Характерный размер такого оптического модуля будет 10x10 см, не больше. Сравните это с размерами сегодняшних оптических устройств. Конечно, к сказанному надо добавить управляющие электронные компоненты, которые всегда располагались на отдельной плате. Благодаря интеграции такие платы становятся все более компактными, поэтому в любом случае размеры законченных устройств уменьшатся в несколько раз.
Изменению формфактора оборудования оптических сетей будет способствовать и низкое энергопотребление микроэлектромеханических устройств. В отличии от оптического оборудования, в котором происходит преобразование передаваемых сигналов из одной формы в другую, мощность, потребляемая MEMS-системами, пренебрежимо мала.
Когда пользователи увидят эти разработки в готовых продуктах Lucent Technologies?
В компании существует план интеграции наших разработок в следующие поколения коммутаторов LambdaXtreme. В нем нет строгих дат: все будет определяться запросами заказчиков, их заинтересованностью в расширении функциональности оборудования оптических сетей. Могу сказать только, что до появления на рынке продуктов, основанных на PLC-микросхемах, пройдет еще не менее года.
Не могли бы вы рассказать о перспективных разработках, которые ведутся в стенах Bell Laboratories, но не имеют отношения к миру телекоммуникаций?
Одна из них связана с созданием так называемого оптического пинцета для исследования биологических клеток. Если не вдаваться в детали, то речь идет о формировании чрезвычайно узкого лазерного луча и светового градиента, который и выступает в роли пинцета. Производя те или иные манипуляции с клетками, помещая их в различные внешние условия, при помощи оптического пинцета можно изучать претерпеваемые ими изменения. Пока для этих целей служит только один лазер, но в перспективе могут быть использованы мегапиксельные управляющие системы, создающие такие же градиенты, какие сегодня формируются при помощи единственного луча. Если к тому же использовать множество оптических пинцетов, то сотни клеток можно изучать одновременно.
Для получающихся в результате изображений в Bell Labs используется термин цифровая голография. Это связано с их трехмерностью?
Мы говорим о голографии, поскольку речь идет об обработке переднего фронта световой волны. Конечно же, на его основе можно сформировать голограмму. Обычная фотографическая пластинка, по сути дела, фиксирует интенсивность света в каждой точке волнового фронта, т. е. строит его своеобразный портрет. Оказывается, можно сконструировать программируемую «фотопластинку» высокого разрешения, при помощи которой с этим волновым фронтом можно будет производить различные манипуляции, в частности строить трехмерные голограммы.
Одно из приложений этих исследований связано с астрономией, с повышением четкости получаемых изображений. Как известно, атмосферные турбулентности вносят искажения в изображения звезд, получаемые в течение длительных промежутков времени. Турбулентности и вызванные ими изменения плотности среды искажают волновой фронт, и по этой причине изображение «дрожит» во времени. Применение специальной системы, насчитывающей миллионы микроскопических зеркал, позволяет скомпенсировать эти искажения в режиме реального времени, непосредственно корректируя волновой фронт.
Но для этого требуется знать характеристики атмосферы в тот промежуток времени, когда было получено изображение, нужна некая обратная связь...
Безусловно, и здесь на помощь снова приходят лазерные технологии, разработанные в Bell Labs. Для калибровки служит «искусственная звезда», которая в виде пятна формируется в атмосфере излучением очень мощного лазера. Использование этой «искусственной звезды» позволяет учесть параметры атмосферных процессов и в конечном счете значительно повысить четкость получаемых изображений.
Как видите, исследования, которые ведутся в стенах Bell Laboratories, охватывают различные области человеческого знания — от современной биологии до физики макромира.