19.12.2014
Вчені та інженери зі Стенфордського університету спроектували та виготовили дослідні зразки кремнієвих нанопристроїв, які, ніби призма, можуть розщепити промінь світла, що падає на них, на складові частини та переломити це світло під прямим кутом. Проте найцікавішим є той факт, що цей крихітний оптичний пристрій був розрахований повністю на комп’ютері з використанням спеціалізованого алгоритму, котрий, у свою чергу, може бути використаний для розрахунків маси подібних пристроїв, здатних по-різному маніпулювати зі світлом. Такі оптичні нанопристрої зможуть стати базовими елементами нанофотонних мікропроцесорів для комп’ютерів наступних поколінь, здатних обробляти дані швидше та ефективніше за їхні сучасні електронні аналоги.
Спроектований пристрій являє собою кремнієву пластину з нанесеним на її поверхню образом, що нагадує відомий всім штрих-код. Коли на пристрій падає промінь світла, він розщеплюється на два промені з різною довжиною хвиль, відхиленими від напрямку вихідного променю під прямими кутами. Все це відбувається подібно до того, як працює призма, лише з однією різницею – форма нового пристрою досить далека від форми класичної призми.
Структура оптичного пристрою, спроектована за допомогою програмного алгоритму, являє собою чергування смуг кремнію з повітряними проміжками. В цьому пристрої використовується ефект, який виникає при проходженні світлом межі між двома середовищами з різним значенням коефіцієнта заломлення. В цьому випадку деяка частина світла відбивається назад, а інша частина проходить далі, зазнаючи невеликих змін. Більш того, відбите світло взаємодіє зі світлом, що проходить, досить складним чином, що призводить до появи у пристрою в цілому досить специфічних та унікальних оптичних якостей.
На виході з пристрою-розщеплювача утворюються два промені світла, довжини хвиль якого дорівнюють 1550 та 1300 нанометрів відповідно. Світло такої довжини хвиль широко використовується в технологіях оптоволоконних комунікацій, що робить нанопристрої, як і розщеплювач, сумісними з фотоелектричними приладами, які використовуються в комунікаційному обладнанні.
«Багато років дослідники, котрі працюють у сфері нанофотоніки, розробляли елементи, які мають прості форми і структуру,» – розповідає професор електротехніки Єлена Вуцковіч (Jelena Vuckovic), котра очолювала ці дослідження. «Наша програма дозволила нам виготовити нанофотонні елементи такої форми і будови, до яких не зміг би додуматися жоден вчений, навіть той, який має ґрунтовні знання, досвід у цій справі, та розбирається навіть у найменших тонкощах усіх процесів, що відбуваються».
За допомогою свого алгоритму вчені розрахували структуру ще одного нанофотонного оптичного елемента, будова якого дуже нагадує сир, пронизаний масою порожнин, що сполучаються між собою. Цей пристрій повинен в теорії маршрутизувати промінь світла, направляючи його за певними траєкторіями залежно від стану кількох інших «керівних» променів світла, що входять у пристрій в заданих місцях. Проте, на жаль, установки, що є зараз у розпорядженні вчених, не дозоляють виготовити подібний елемент з необхідною точністю та перевірити його роботу на практиці.
«Світло може нести набагато більше даних, ніж електричний струм, що поширюється по провідниках. Окрім цього, для передачі фотонів потрібно менше енергії, ніж для забезпечення переміщення електронів,» – розповідає Єлена Вуцковіч. «На жаль, технології нановиробництва, що існують, ще не дозволяють нам реалізувати на практиці всі можливості, надані алгоритмами, які ми розробили. Проте коли такі технології стануть доступними, ми будемо готові зустріти цей момент у всеозброєнні та одразу взятися до розробки та створення відносно простих нанофотонних комунікаційних пристроїв і складніших процесорів, котрі будуть призначені для комп’ютерів майбутніх поколінь».
