Znajdź zawartość

W Science ukazał się artykuł, w którym naukowcy z California Institute of Technology opisują, w jaki sposób poradzili sobie jedną z najpoważniejszych przeszkód stojących na drodze do produkcji i upowszechnienia fotonicznych układów scalonych. Uczonym opracowali nową technikę izolowania sygnałów świetlnych na krzemowym układzie scalonym. Kości fotoniczne, w przeciwieństwie do układów elektronicznych, do przesyłania danych i wykonywania obliczeń będą wykorzystywały fotony. Co prawda światło już teraz służy do przesyłania danych za pomocą światłowodów, jednak w samym komputerze sygnały świetlne zamieniane są na znacznie mniej efektywne sygnały elektryczne. Izolowane sygnały świetlne mogą podróżować tylko w jednym kierunku. Jeśli nie będą one izolowane, fotony odbierane i wysyłane pomiędzy różnymi częściami fotonicznego układu będą na siebie wpływały, zajdzie pomiędzy nimi interferencja, a zatem całość będzie niestabilna. W układzie elektrycznym do odseparowania sygnałów służy dioda. Należy więc stworzyć jej fotoniczny odpowiednik. To coś, czego naukowcy szukają od 20 lat - mówi Liang Feng z Caltechu, pracujący pod kierunkiem profesora Axela Scherera. Promień świetlny ma takie same właściwości gdy porusza się w jednym kierunku, jak i wówczas, gdy zostanie odbity i wraca. Aby izolować dane fotoniczne trzebaby w jakiś sposób zmienić właściwości promienia podążającego w przeciwnym kierunku. Dopiero wówczas można by skonstruować urządzenie blokujące światło o właściwościach odpowiadających właściwościom światła odbitego, a zatem spowodować, by podróżowało ono w jednym kierunku. Do odseparowania światła Feng i jego koledzy wykorzystali nowy typ optycznego falowodu o przekroju 0,8 mikrona, który został zbudowany z krzemu. Falowód przepuszcza światło w jednym kierunku, ale zmienia mod światła podróżującego w kierunku przeciwnym. Jako, że pomiędzy promieniami światła o różnych modach nie zachodzi interferencja, mogą przez siebie przenikać bez ryzyka zmiany niesionych informacji. Dotychczas stosowano dwie metody izolowania optycznego. Pierwsza, wynaleziona niemal 100 lat temu, zakładała wykorzystanie pola magnetycznego. Pole to zmienia polaryzację światła podróżującego w przeciwnym kierunku. Problem jednak w tym, że w pobliżu komputerów nie możesz stosować silnych pól magnetycznych. To niezdrowe - mówi Feng. Druga z metod, opracowana przed 50 laty, zakłada wykorzystanie materiałów o nieliniowych właściwościach optycznych. Materiały takie zmieniają częstotliwość fali świetlnej. Problem jednak w tym, że krzem charakteryzuje się właściwościami liniowymi. Aby zbudować układ scalony z materiałów o właściwościach nieliniowych, trzeba by zmienić materiał, z jakich są wytwarzane. Rezygnacja z krzemu oznaczałaby kolosalne koszty i trudności technologiczne związane z całkowitą zmianą technologii wykorzystywanych od dziesięcioleci. Zbudowanie krzemowego falowodu to pierwszy przykład urządzenia o liniowych właściwościach optycznych, które może służyć do separowania światła. Uczeni z Caltechu już zbudowali prototypowe urządzenie, które można zintegrować na krzemowym układzie. Obecnie najbardziej zaawansowane układy fotoniczne pracują z przepustowościami rzędu 10 gigabitów na sekundę. Wkrótce ich wydajność powinna wzrosnąć do 40 Gb/s. Jednak bez wbudowanego optycznego izolatora kości takie nie mogą zadebiutować na rynku. Projekt Caltechu daje nadzieję na pojawienie się w sprzedaży fotonicznych układów scalonych.

Zheng Wang i jego zespół z Massachusetts Institute of Technology stworzyli pierwszy "zawór" dla mikrofal, czyli materiał, przez który mikrofale przechodzą tylko w jedną stronę. Fotoniczny kryształ stworzony jest z ferrytowych pręcików. W normalnych warunkach pręciki odbijają mikrofale we wszystkich kierunkach. Jednak po dodaniu pola magnetycznego, mikrofale są odbijane tylko w jednym kierunku. Naukowcy pracują teraz nad taką zmianą parametrów urządzenia, by działało ono z radiacją o częstotliwościach liczonych w terahercach i z widoczną częścią spektrum. Nowe kryształy fotoniczne mogą posłużyć do budowy nowych urządzeń telekomunikacyjnych i komputerowych. Mogą powstać proste routery puszczające sygnał tylko w jedną stronę czy falowody bardziej efektywne od światłowodów.

W Nature Photonics ukazał się artykuł opisujący działanie "teleskopu czasowego", który może pozwolić na 27-krotne przyspieszenie przesyłania informacji we współczesnych światłowodach. Jego działanie polega na skompresowaniu impulsu światła w jednostce czasu. Generalnie im impuls krótszy, tym więcej informacji można przesłać danym łączem. Obecnie stosowane urządzenia wykorzystują pasmo 10 GHz i kodują w nim informacje. Teoretycznie możliwe jest wysyłanie impulsów o częstotliwościach 100 000 razy większych, jednak obecnie nie jesteśmy w stanie zakodować w nich żadnych informacji. Naukowcy z Cornell University wpadli więc na pomysł "ściskania" 10-gigahercowych impulsów, dzięki czemu możliwe będzie wysłanie większej ich liczby w jednostce czasu, co znakomicie zwiększy przepustowość łącza. Autorzy artykułu proponują wykorzystanie krzemowych falowodów, które działają jak soczewki skupiające na sygnał. Do takiego falowodu trafiają jednocześnie długi, 10-gigahercowy impuls z zakodowanymi danymi i znacznie krótszy impuls lasera niezawierający żadnych informacji. Wskutek oddziaływań z krzemem, dłuższy impuls z danymi zostaje zmuszony do czasowego przybrania właściwości krótszego impulsu. Jego czołowa część zwalnia, a tylna przyspiesza. W efekcie dochodzi do 27-krotnego skompresowania impulsu. Nowa technika ma na razie sporo ograniczeń. Najważniejszym z nich jest ograniczenie długości pakietu, który może zostać poddany takiej kompresji. Obecnie można kompresować dane o długości do 24 bitów, dlatego też, jak powiedział Mark Foster, główny autor badań, konieczne jest wydłużenie czasu, w którym zachodzi kompresja. Ponadto trzeba też opracować odpowiedni system dekompresji. Jednak, jak mówi uczony, technologia jest prosta, a jej zastosowanie wymaga niewielkich nakładów, z pewnością więc będzie rozwijana i zainteresuje się nią przemysł. Można ją też zastosować w chemii i biologii, gdzie pozwoli na szczegółowe badanie błyskawicznie zachodzących procesów, takich jak np. reakcje chemiczne. "Teleskop czasowy" jest tym bardziej obiecujący, że już na początku prac nad nim uzyskano wyjątkowo dobre wyniki.

Od 2005 roku specjaliści spekulowali na temat istnienia w świetle sił odpychania i przyciągania. Już jakiś czas temu naukowcy z Yale University udowodnili istnienie siły przyciągania, a teraz odkryli siłę odpychania. Dzięki ich pracom w przyszłości przełącznikami w układach scalonych będzie można sterować tylko i wyłącznie za pomocą światła, bez pośrednictwa elektryczności. To uzupełnia obraz. Udowodniliśmy, że w świetle istnieje dwubiegunowa siła, w skład której wchodzą siły przyciągania i odpychania - mówi Hong Tang, szef zespołu badawczego. Już wcześniej naukowcy pracujący pod jego kierunkiem pokazali, że za pomocą światła można poruszyć nanoprzełącznik, przyciągając go w kierunku źródła światła. Nie byli jednak w stanie odepchnąć go, by powrócił do pierwotnej pozycji, Teraz stało się to możliwe. Trzeba przy tym podkreślić, że odkryte przez zespół Tanga siły są czym innym, niż znane ciśnienie promieniowania światła, które pozwala popychać przedmioty. W celu uzyskania siły odpychającej, naukowcy rozdzielili promień światła podczerwonego na dwa osobne promienie i wymusili na nich przebycie różnej długości drogi w falowodzie. W ten sposób fazy fali obu promieni przestały się ze sobą zgadzać i wytworzyła się siła odpychania. Uczeni są w stanie kontrolować tę siłę - im większa różnica pomiędzy fazami, tym mocniejsze odpychanie. Możemy kontrolować interakcję pomiędzy promieniami. To nie jest możliwe w otwartej przestrzeni. Można to osiągnąć tylko w falowodach w skali nano, które umieszczone są blisko siebie na chipie - mówi Mo Li, jeden z autorów projektu. Działające siły są bardzo ciekawe, gdyż działają inaczej niż siły pomiędzy naładowanymi obiektami. Obiekty o przeciwnym ładunku przyciągają się, tymczasem promienie światła o różnej fazie odpychają się - dodał Wolfram Pernice. Zastosowanie światła w miejsce elektryczności przyniesie ze sobą liczne korzyści. Urządzenia telekomunikacyjne będą działały szybciej, a jednocześnie zużyją mniej prądu. Ponadto w świetlnym układzie scalonym niemal nie będą występowały interferencje.