Ученые смогли использовать в новых «электронных» схемах фотоны видимого участка спектра. Благодаря этому вычислительные устройства смогут стать более миниатюрными, быстрыми и производительными.
Принцип работы современной электроники основан на управлении потоком электрических зарядов (электронов и дырок). По мере совершенствования технологий электрические цепи уменьшаются в размерах, а их сложность растет. Исследователи из Университета Пенсильвании идут другим путем, пытаясь заменить электроны фотонами видимого спектра.
Электронные схемы выполняют различные функции, начиная с простых переключателей и заканчивая сложными устройствами, например, суперкомпьютерами. Эти схемы строятся на основе компонентов – транзисторов и диодов, сопротивлений, катушек индуктивности и конденсаторов, управляющих потоком электронов в цепях. Поскольку и электронные, и оптические схемы работают в соответствии с уравнениями Максвелла, описывающими поведение электромагнитных полей, группа исследователей предприняла попытку создания оптических схем. В 2005 г. ученые описали в теоретической работе основы функционирования оптических элементов.
Наконец, настало время воплотить теорию в практику. Ученые создали первую цепь с сосредоточенными оптическими элементами. Эта разработка, получившая название «метатроника», представляет собой ключевое событие в науке и технике. Исследования профессора Надера Энгеты (Nader Engheta) и его группы опубликованы в журнале Nature Materials.
По словам Энгеты, у электронных компонентов имеются оптические аналоги: линзы, волноводы и оптические решетки. Однако линейные размеры этих элементов намного превышают длину волны света. Нанотехнологии открыли возможности синтеза миниатюрных оптических элементов цепей, позволяя создавать структуры размерами в нанометры. В эксперименте разработка ученых была выполнена в виде гребенчатого массива из наноскопических трубок нитрида кремния.
Приставка «мета» в слове «метатроника» означает принадлежность к метаматериалам, чьи структурные особенности позволяют управлять оптическими волнами ранее недостижимыми способами. Поперечные сечения наноскопических прямоугольных стержней и промежутков между ними формируют структуру, которая воспроизводит функции сопротивления, индуктивности и емкости – трех основных элементов электрической цепи – в цепях с электромагнитными волнами оптического диапазона.
В своих экспериментах ученые воздействовали светом середины инфракрасного диапазона на массив из наноскопических стержней. Затем они измеряли длину волны, прошедшей через «гребенку». В серии из нескольких экспериментов ширина и высота наностержней была различной. Исследования показали, что в зависимости от конфигурации «гребенки» оптические показатели сопротивления, индуктивности и емкости различаются. При этом срез наностержня выступал в качестве индуктивности и сопротивления, а воздушный зазор между элементами конструкции — емкостью.
Функцию оптических цепей можно изменять не только путем изменения размеров и материала наноскопических стержней, но и за счет поляризации света. Благодаря этому метатроника получает такие возможности, о которых традиционной электронике приходится только мечтать. Ориентация волны позволяет реализовать две различных цепи (см. рис.).
 |
Если плоскость электрического поля волны параллельна горизонтальной поверхности наностержней, реализуется параллельное включение элементов схемы (a); при перпендикулярной ориентации поля элементы схемы включены последовательно (b)
Этот принцип можно использовать для реализации системы большего уровня сложности путем построения объемных структур. Оптический сигнал, прошедший сквозь верхнюю часть структуры, приведет к формированию цепи, отличной от образованной при прохождении света через боковую поверхность структуры.
По словам Энгеты, эти эксперименты доказывают возможность синтеза бесконечного множества цепей в зависимости от того, как соединяются их элементы. В настоящее время исследователи пытаются разработать более сложные оптические элементы на основе принципа модульности.
Напомним, что активные работы в области кремниевой фотоники в инфракрасном диапазоне спектра также ведут компании Intel, IBM, Luxtera и др. (см. ссылки внизу этой новости). Им уже удалось создать опытные образцы работающих чипов. Однако там размеры ключевых элементов (ИК-лазеров, фильтров и пр.) пока что достаточно велики.
Источник: ScienceDaily
Читайте также:
Технология передачи светового сигнала по кремнию станет массовой
Intel заявляет, что вместо электронных сигналов в компьютерах будет применяться свет
Intel совершила прорыв в области фотоники
А вы смотрели по сторонам?