Компьютер и фотонные кристаллы



Pdf просмотр
Дата24.02.2017
Размер0.69 Mb.
Просмотров322
Скачиваний1

88
В.Н. Васильев, В.Г. Беспалов
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ОПТИЧЕСКИЙ
КОМПЬЮТЕР И ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ
В.Н. Васильев, В.Г. Беспалов
Представлен обзор современного состояния исследований в области фотонных кристаллов и их использования для создания полностью оптического компьютера.
Рассмотрены основные свойства одно-, двух- и трехмерных фотонных структур с запрещенной зоной и показаны примеры использования фотонных кристаллов для создания интегральных оптических цепей.
Введение
Применение микроэлектроники в системах обработки информации и связи коренным образом изменило окружающий мир. В результате развития и создания все более мощных компьютеров и сетей компьютерной связи люди работают более эффективно, не вставая с рабочего стола, связываются со всем миром и получают информацию из всех уголков земного шара, отдыхают более комфортно. В настоящее время компьютеры увеличивают сумму человеческого знания, хранят эти знания, открывают новые возможности в промышленности и быту, создают новые рабочие места.
Появление мощных цифровых электронно-вычислительных машин
(ЭВМ) стало возможным благодаря созданию технологии интегрирования миллионов транзисторов и межсоединений на кремниевых микрочипах.
Начиная с 70-х годов, число электронных компонентов, расположенных на микрочипе, удваивалось каждые 18 месяцев, позволяя компьютерам развивать вдвое большие скорости счета. Хотя эта тенденция, которая была предсказана в 60-х годах Гордоном Муром [1] из фирмы Intel, может продолжаться в течение следующих нескольких лет, предел скорости, с которой интегральные схемы смогут работать, скоро будет достигнут.
Сейчас можно купить персональный компьютер с процессором, работающим на тактовой частоте 1 ГГц, но появление настольного компьютера с микрочипом на 100 ГГц через 10 лет с точки зрения современной науки кажется проблематичным. Даже если размер отдельного элемента будет значительно уменьшен путем использования ренгенолитографии, частота интегральной схемы будет ограничена временем переключения в транзисторах, которое практически не уменьшается с его габаритами.

Информационные технологии, оптический компьютер и фотонные кристаллы 89
Недавно [2] был проведен анализ перспектив и фундаментальных ограничений на параметры существующих и будущих интегральных схем.
Одни из наиболее важных параметров микрочипов – время и мощность, затрачиваемая на одно переключение в отдельном транзисторе. На рис. 1 приведена обобщенная картина предельных параметров CMOS - технологии. Линии a и b представляют собой термодинамический и квантово-механический пределы, линии c и d обусловливают пределы материала (кремния), линия e – пределы транзистора как устройства, f – логической ячейки, g – системы из логических ячеек. Нижние границы линий e, f, g с обратно пропорциональной зависимостью мощности от времени переключения обусловлены наличием минимума энергии на переключение транзистора. Верхние границы с квадратичной зависимостью
(P
t
2
) обусловлены минимумом времени, требуемого на переключение транзистора. Системные ограничения (линия g) более жесткие и в основном связаны с наличием емкости электрических межсоединений между логическими ячейками. В работе предполагается, что предел характеристик микрочипов расположен в области i (рис. 1) с временем переключения 50 пс
(20 ГГц) и средней мощностью 500 мкВт, что соответствует энергии 25 фДж на одно переключение.
Рис.1. Предельные параметры микроэлектронных и оптических компьютеров [2]
Другое фундаментальное ограничение, рассмотренное в [2], связано с зависимостью времени переключения от длины межсоединений – чем

90
В.Н. Васильев, В.Г. Беспалов больше логических ячеек, тем больше длина межсоединений, тем больше емкость, тем больше время на соединение одной ячейки с другой.
Поскольку все больше транзисторов помещается на каждый чип, задержки, обусловленные временем переключения, будут приводить к информационному затору. Микрочипы должны будут обрабатывать все более значительный поток данных, использовать все большее количество межсоединений, что будет требовать уменьшения общего токового потребления и создания эффективных устройств отвода тепла. Передача потока данных от одного чипа к другому и его синхронизирование по всему устройству создаст дополнительные трудности.
Исходя из вышесказанного, микроэлектроника, скорее всего, не сможет гарантировать прогресс в информационных технологиях, и необходимо искать альтернативные решения, обеспечивающие более плотную и более быструю информационную связь между логическими элементами.
1.
Оптический компьютер
XXI век называют веком оптических технологий, основываясь на бурном развитии в конце XX века таких направлений, как волоконно- оптическая связь, полупроводниковая оптоэлектроника, лазерная техника.
Особенно впечатляющи достижения волоконной оптики – она практически революционизировала системы дальней связи, и сейчас по волокну возможна передача информации со скоростью 40 Гб в секунду.
Однако это может быть только началом широкого использования оптики для информационных технологий. Возможности использования света в обработке информации практически безграничны. Если использовать свет для передачи данных между чипами или логическими элементами, проблемы с временем задержки на межсоединениях не будет существовать, поскольку передача информации будет происходить действительно со скоростью света. Большое число световых пучков могут свободно проходить по одной и той же области пространства, пересекаться и не влиять друг на друга. Параллельный многоканальный характер оптических информационных систем явным образом вытекает из двумерной природы светового потока, а оптика пучков, свободно распространяющихся в пространстве, естественно подходит для создания в широком масштабе параллельных соединений между различными плоскостями информационных устройств. Современная оптическая система может разрешать и отображать миллионы пикселов, каждый из которых может быть информационным каналом с частотной шириной полосы передачи свыше 1 ТГц.
Чтобы использовать уникальные возможности оптики для обработки информации, необходимо разработать подходящие технологии создания устройств генерации, детектирования оптических сигналов, а также

Информационные технологии, оптический компьютер и фотонные кристаллы 91 оптических логических элементов, управляемых светом. Элементарная оптическая ячейка должна потреблять энергии меньше, чем элемент микрочипа, быть интегрируемой в большие массивы и иметь возможность связи с большим числом подобных элементов.
Начиная с середины 80-х годов, исследователи в оптике и опто- электронике интенсивно работали над созданием полностью оптических компьютеров нового поколения [3 - 5]. Сердцем такого компьютера должен был стать оптический процессор, использующий элементы, в которых свет управляет светом, а логические операции осуществляются в процессе взаимодействия световых волн с веществом. Значительные усилия, направленные на создание оптического компьютера, привели к определенным успехам. Так, в 1990 г. в лабораториях американской фирмы "Белл" был создан макет цифрового оптического устройства [6, 7]. С его помощью была продемонстрирована возможность выполнения цифровых и логических операций с высокими параметрами быстродействия и потребления энергии. Основу процессора разработанного оптического компьютера составляли двумерные матрицы бистабильных элементов
(размерностью 4
×8) на основе полупроводниковых структур с множественными квантовыми ямами, обладающих нелинейными электро- оптическим свойствами (self-electro-optic-effect devices – SEED [8]). Их освещение осуществлялось полупроводниковым лазером, излучение которого пропускалось через голографическую решетку Дамменна [9], способную обеспечивать высокую эффективность освещения каждого из элементов матрицы. Мощность излучения лазера составляло 10 мВт, а длина волны излучения 850 нм. В симметричном SEED’е, состоящем из двух PIN фотодиодов, внутри которых выращены сверхрешетки и которые включены последовательно в питающую цепь, при освещении одного из диодов в цепи возникал ток, который вызывал падение напряжения на структуре сверхрешетки и приводил к увеличению пропускания света через вторую структуру. Таким образом, возникала положительная обратная связь, и совокупность таких элементов могла образовывать логические ячейки «или
– не», «или – и» и т.д. [10]. Первый оптический компьютер состоял из 4 каскадов и располагался на оптической плите размером I х I м
2
Пространственное распределение излучения на выходе каждого из каскадов компьютера определялось состоянием входящей в его состав жидко- кристаллической маски, управляемой обычным компьютером и распределением света на его входе. Важным достоинством первого оптического компьютера явилась возможность последовательного объединения его отдельных каскадов благодаря искусственному аналогу эффекта внутреннего усиления.

92
В.Н. Васильев, В.Г. Беспалов
Второе поколение оптического компьютера представлено моделью
DOC-II (digital optical computer II) [11], в котором использована уже векторно-матричная логика. В данном устройстве входной поток данных образовывался излучением линейки 64 независимо модулируемых лазерных диодов с длиной волны излучения 837 нм. Свет от каждого диода линейки отображался на одну строчку матричного пространственного модулятора света общими размерами 64
×128 элементов. Отдельный элемент матрицы представлял собой акусто-оптическую брэгговскую ячейку на основе GaP.
Свет, выходящий из пространственного модулятора, попадал на линейку из
128 лавинных фотодиодов. Внешний вид компьютера представлен на рис. 3.
DOC-II имеет 64
×128 = 8192 межсоединений и работает на частоте передачи данных 100 Мб
⋅с
-1
, что соответствует 0.8192
⋅10 12
переключений в секунду. Энергия на одно переключение составляет 7.15 фДж (
3
⋅10 4
фотонов). Точка, соответствующая DOC-II, нанесена на рис. 1. Было проведено тестирование данной компьютерной системы [12, 13], в частности, при поиске нужного слова в тексте DOC-II смог просматривать
80000 страниц ASCII текста за одну секунду.
Принципиальным недостатком макетов первых оптических компьютеров являлась неинтегрируемость его отдельных компонентов.
Исходя из этого, основной задачей следующего этапа работ по оптическому компьютеру было создание его интегрального варианта.


Рис. 2. Внешний вид оптического компьютера DOC-II

В настоящее время ведутся работы по созданию интегрального модуля оптического компьютера с логической матрично-тензорной основой, названного HPOC (High Performance Optoelectronic Communication) [14]. В

Информационные технологии, оптический компьютер и фотонные кристаллы 93 устройстве планируется использовать входную матрицу вертикально- излучающих лазерных диодов, соединенную планарными волноводами и обычной оптикой с матрицами переключения, на основе дифракционных оптических элементов, и выходную систему, состоящую из матрицы лавинных фотодиодов, совмещенной с матрицей вертикально-излучающих диодов. В модуле используется GaAs, Bi-CMOS и CMOS технологии, а оптические межсоединения организованы с использованием свободного распространения световых пучков в пространстве и в волноводах, что организует квази-четырехмерную структуру. Опытные образцы показали производительность 4.096 Тб
⋅с
-1
, а оценки показывают, что данная система способна развить скорость 10 15
операций в секунду с энергией менее 1 фДж на одно переключение.
Следует отметить, что размеры и вес системы, построенной из модулей
(см. рис. 3), будут превышать размеры используемых сейчас микрочипов. В настоящее время полагают, что полностью оптический процессор может быть построен из так называемых фотонных кристаллов и квазикристаллов - материалов с периодической структурой, которые могут управлять и манипулировать потоками фотонов.
Рис. 3. Интегральный оптический процессор на основе 4-х модулей HPOC [14]

2. Фотонные кристаллы
В 1986 г. Эли Яблонович из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе высказал идею создания трехмерной диэлектрической структуры, подобной

94
В.Н. Васильев, В.Г. Беспалов обычным кристаллам, в которой бы не могли распространяться электромагнитные волны определенной полосы спектра [15]. Такие среды получили название фотонных структур с запрещенной зоной (photonic bandgap) или фотонных кристаллов (photonic crystals). В 1991 г. Яблонович с коллегами изготовил первый фотонный кристалл [16] путем сверления миллиметровых отверстий в материале с высоким показателем преломления. Искусственный кристалл, который сейчас называют
«яблоновит», не пропускал излучение миллиметрового диапазона и реализовывал фотонную структуру с запрещенной зоной.
Фотонные структуры, в которых запрещено распространение электромагнитных или световых волн в некоторой полосе частот и в одном, двух или трех пространственных измерениях, могут использоваться для создания интегральных устройств управления данными волнами. В настоящее время с использованием идеологии фотонных структур созданы беспороговые полупроводниковые лазеры и лазеры на основе редкоземельных ионов, высокодобротные резонаторы, оптические волноводы, спектральные фильтры и поляризаторы [17]. Изучением фотонных кристаллов занимаются в 21 стране мира (в том числе и в
России), и количество публикаций, в зависимости от времени, растет по экспоненциальному закону, что свидетельствует о расцвете данного направления (рис. 4).
Рис. 4. Рост числа публикаций по фотонным кристаллам по годам [17]
Для понимания процессов в фотонном кристалле его можно сравнить с кристаллом полупроводника, а распространение фотонов с движением носителей заряда – электронов и дырок. В идеальном кремнии атомы расположены в алмазоподобной кристаллической структуре, и, согласно зонной теории, электроны, распространяясь по кристаллу, взаимодействуют с периодическим потенциалом поля атомных ядер. Это является причиной появления разрешенных и запрещенных энергетических зон – квантовой

Информационные технологии, оптический компьютер и фотонные кристаллы 95 механикой запрещается существование электронов с энергиями, соответствующими энергетическому диапазону, называемому запрещенной зоной. В реальных полупроводниках периодичность решетки может быть нарушена дислокациями, включениями междоузельных атомов примеси, и, соответственно, электроны могут иметь энергию в пределах промежутка зоны.
Аналогично обычным кристаллам, фотонные кристаллы содержат высокосимметричную структуру элементарных ячеек, причем, если структура обычного кристалла определена положениями атомов в решетке, структура фотонного кристалла состоит из периодической пространственной модуляции диэлектрической постоянной среды, масштаб которой сопоставим с длиной волны взаимодействующего излучения.
Периодичность модуляции диэлектрической постоянной можно создавать в одной, двух, или трех пространственных координатах, формируя одно-, двух- и трехмерные фотонные кристаллы.
Рассмотрим движение фотонов через периодическую структуру диэлектрических слоев толщиной в 1/4
λ
0
с двумя различными показателями преломления – одномерный фотонный кристалл (рис. 5). Такие структуры давно известны [18] и хорошо изучены в когерентной и нелинейной оптике, носят название брэгговских [20] и используются для изготовления высокоотражающих зеркал для лазерной техники. Для такой структуры и нормального угла падения можно построить график зависимости пропускания от длины волны, который имеет область, в которой коэффициент отражения близок к 1 (рис. 5). Это и есть запрещенная зона для одномерной структуры, причем следует отметить, что для одномерной структуры положение зоны смещается при изменении угла падения.
Двумерная фотонная структура представляет собой объемную диэлектрическую среду, в которой периодическим образом расположены цилиндры с другим показателем преломления (рис. 6). Она реализуется в виде стеклянной матрицы, в которой расположены ряды сквозных воздушных отверстий диаметром 200…500 нм на расстоянии 1…2 мкм друг от друга, причем каждый следующий ряд так сдвинут относительно предыдущего, что вид сверху образует гексагональную структуру. Данная структура также называется наноканальной пластиной, и технология её изготовления разработана в нескольких зарубежных научных центрах, включая Naval Research Laboratory (Вашингтон, США) и Research Institute for Electronic Science (Саппоро, Япония) [21, 22].

96
В.Н. Васильев, В.Г. Беспалов
Рис. 5. Одномерная фотонная структура и зависимость её пропускания от длины волны [19]
Рис. 6. Двухмерный фотонный кристалл из цилиндров, расположенных в гексагональной симметрии, его пропускание в зависимости от длины волны, измеренное в направлении Г-М первой зоны Бриллюэна [23]
Для двухмерных фотонных структур возможно проведение анализа с использованием зон Бриллюэна (рис. 6), более близкой аналогии с

Информационные технологии, оптический компьютер и фотонные кристаллы 97 реальными кристаллами. Как видно из графиков, в двухмерных структурах коэффициент отражения (или ширина запрещенной зоны) вблизи направления Г – М (0 0
) в плоскости, перпендикулярной осям цилиндров, в пределах
± 30 0
сохраняет высокое значение.
Полностью трехмерную фотонную структуру можно построить из удлиненных параллелепипедов, расположенных в виде поленницы дров
(рис.7).
Рис. 7. Трехмерный фотонный кристалл и его элементарная ячейка [24]
Для такой искусственной структуры можно изобразить первую зону
Бриллюэна и вычислить структуру зон для бесконечной
Рис. 8. Первая зона Бриллюэна (а) и структура зон (b) в трехмерном фотонном кристалле [25] последовательности элементарных ячеек (рис. 8). Из рисунка видно, что структура имеет запрещенную зону для всех направлений векторов, т.е. существует область длин волн, для которых структура является полностью отражающей для всех углов падений.

98
В.Н. Васильев, В.Г. Беспалов
При нарушении симметрии фотонного кристалла в каком-либо месте, например, при изменении периода структуры, возникает область, в которой могут существовать электромагнитные волны с частотами, соответствующими запрещенной зоне всей структуры. Таким образом, можно создать идеальный микрорезонатор, в котором электромагнитная волна ограничена в трех измерениях и убывает экспоненциально по интенсивности вглубь кристалла. Если расположить на расстоянии, соизмеримом с длиной волны, еще такой же точечный дефект, возможно реализовать спектральный фильтр высокой добротности, поскольку фотоны с энергией, соответствующей низшей моде точечного резонатора, легко проникают в следующий микрорезонатор посредством резонансного туннелирования. Частота основной моды микрорезонатора может изменяться в пределах ширины запрещенной зоны посредством соответствующего изменения размера, формы или симметрии дефекта.
Таким образом, можно реализовать селективную по частотам передачу энергии из одного волновода в другой. Создавая широкополосный фотонно- кристаллический волновод и располагая вдоль него различного размера точечные дефекты, соединенные с волноводами определенной частотной полосы, можно реализовать интегральные устройства демультиплексирования широкополосного спектрального сигнала [26].
Точечный дефект трехмерной излучающей фотонной структуры, созданный, например, в полупроводниковом слое, образует высокодобротный резонатор (Q
10 9
), и, соответственно, возможно полное подавление спонтанной эмиссии и создание полупроводникового светодиода, излучающего в одной частотной моде. При туннелировании фотонов из соседнего волновода точечный дефект в излучающей области может работать как квантовый усилитель, доводя величину полезного светового сигнала до необходимой для дальнейшего распространения по интегрированной структуре. На рис. 9 приведено распределение интенсивности компоненты магнитного поля, перпендикулярного плоскости рисунка, для двумерной фотонной структуры, состоящей из периодически расположенных цилиндров. Дефект образован центральным цилиндром с увеличенным на 50% диаметром. Из рисунка следует, что электромагнитное поле захватывается в междоузлиях двумерной решетки размерами, приблизительно соответствующим длине волны излучения (градации серого определяют амплитуду, черный цвет – положительный максимум).
Как показывают расчеты и эксперимент [28], линейный дефект в фотонном кристалле создает волновод, который, в отличие от волоконного или планарного, может изгибаться практически под любым углом со 100%- ным пропусканием.

Информационные технологии, оптический компьютер и фотонные кристаллы 99


Рис. 9. Распределение интенсивности компоненты магнитного поля, перпендикулярного плоскости рисунка, для двумерной фотонной структуры, состоящей из периодически расположенных цилиндров [25]
На рис. 10 приведена зонная структура двумерного кристалла, в котором частично убранные цилиндры образуют линейный дефект. Из графика следует, что энергетический уровень дефекта при изменении волнового вектора (т.е. при его повороте) в широких пределах расположен в запрещенной зоне. На рис. 11 приведено распределение амплитуды электрического поля в Г-образном дефекте, из которого видно, что изменение направления распространения фотонов происходит на расстоянии приблизительно в одну длину волны, что является весьма перспективным для создания интегральных оптических цепей.



Рис. 10.

Зонная структура двумерного фотонного кристалла с линейным дефектом [28]

100
В.Н. Васильев, В.Г. Беспалов

Рис. 11. Распределение электрического поля в двухмерном фотонном кристалле с Г- образным линейным дефектом [29]
В недавних работах [30, 31] показано, что, используя двумерный фотонный кристалл, в котором показатель преломления структуры зависит от интенсивности падающего излучения, можно создать оптический ограничитель (лимитер). На рис. 6 приведен спектр пропускания наноканальной пластины с воздушными отверстиями в направлении Г – М первой зоны Бриллюэна гексогональной кристаллической решетки. В данном случае фотонная запрещенная зона расположена в области 510…560 нм, где отражение высоко и пропускание падает до 10
-4
[32]. Если воздушные промежутки заполнить жидкостью с показателем преломления, близким по величине показателю преломления стеклянной матрицы, то эффект фотонного кристалла исчезнет, и данная структура будет пропускать свет во всем диапазоне спектра. Заполнив каналы нелинейной средой с показателем преломления, соответствующим стеклянной матрице, можно получить управляемую светом структуру. При низкой интенсивности излучения структура прозрачна, при высокой интенсивности показатель преломления изменяется, структура превращается в фотонный кристалл и не пропускает излучение в зеленом диапазоне спектра. Первые фотонно- кристаллические лимитеры использовали тепловую нелинейность, а в качестве нелинейной среды - поглощающую жидкость [33], сильно изменяющую показатель преломления при изменении температуры среды.
Изменение показателя преломления было достаточно для появления

Информационные технологии, оптический компьютер и фотонные кристаллы 101 фотонной запрещенной зоны при плотности мощности падающего излучения 100…200 мДж/см
2
. Вследствие того, что тепловая нелинейность развивается достаточно медленно, данный лимитер эффективен для миллисекундных лазерных импульсов.
Лучшее и более быстрое ограничение может быть достигнуто в фотонно-кристаллическом лимитере при использовании дополнительных нелинейных механизмов. Недавние исследования оптических свойств фталоцианиновых красителей привели к созданию нелинейных сред с большим нелинейным поглощением и рефракцией [34]. В этих средах нелинейный отклик обусловлен поглощением с возбужденных уровней, нелинейной рефракцией на возбужденных уровнях и выделением тепла вследствие поглощения. Использование данных сред в качестве заполнения наноканальной пластины привело к созданию фотонных кристаллов с большой нелинейностью. Экспериментальные исследования такого фотонно-кристаллического лимитера показали его быстродействие и более низкий порог ограничения.


Рис. 12. Характеристика фотонно-кристаллического лимитера [32]
На рис. 12 приведен график прохождения импульсного излучения второй гармоники неодимового лазера с длительностью 5 нс сквозь такую структуру. Из рисунка видно, что уровень ограничения составляет приблизительно 250 нДж при уровне входного излучения 12 мкДж. Следует отметить, что вследствие отражения световое излучение, попадающее внутрь среды, сильно ослаблено, и, соответственно, повышается порог разрушения лимитера. Таким образом, фотонно-кристаллические лимитеры обладают большими потенциальными возможностями, причем, изменяя геометрию кристалла и заполняющую жидкость, можно создавать устройства для любой длины волны - от УФ до дальнего ИК.

102
В.Н. Васильев, В.Г. Беспалов
Нелинейно-оптические свойства фотонных структур можно использовать для создания оптических переключателей и логических ячеек.
Рассмотрим ячейку из наноканальных пластин (рис. 6), воздушные промежутки которой заполнены эффективной нелинейной средой с показателем преломления n
0
, превышающим показатель преломления матрицы, и положительным нелинейным показателем преломления n
2
. В данном случае при подаче интенсивного сигнала разность показателей преломления между матрицей и заполнением будет увеличиваться, вследствие увеличения показателя преломления нелинейной среды:
n
N
= n
0
+ n
2

I
p

(1)
Согласно вычислениям [35], увеличение разности показателей преломления приводит к увеличению ширины запрещенной зоны (рис. 13).

Рис. 13. Увеличение ширины запрещенной зоны нелинейного фотонного кристалла при увеличении мощности падающего излучения [35]
При одновременной подаче на такую ячейку малоинтенсивного сигнала с длиной волны, соответствующей краю запрещенной зоны, и мощного управляющего сигнала на частоте, несколько большей края запрещенной зоны, происходит смещение края зоны, частота малоинтенсивного сигнала попадает в запрещенную зону, и он полностью отражается. В отсутствие интенсивного управляющего сигнала пробный (логический) сигнал проходит, и таким образом можно осуществить управление световыми потоками. Комбинируя подобного рода фотонно-кристаллические ячейки, можно осуществить любые логические операции, подобно системам S-
SEED [8].

Информационные технологии, оптический компьютер и фотонные кристаллы 103
Из рассмотрения характера дисперсионной кривой для фотонного кристалла следует, что на краю запрещенной зоны скорость распространения света стремится к бесконечности, и, таким образом, фотонный кристалл имитирует среду с эффективной диэлектрической проницательностью, близкой к нулю [36]. На рис. 14 приведен график изменения эффективной диэлектрической проницаемости фотонного кристалла в виде наноканальной пластины в зависимости от длины волны.
Рис. 14. Зависимость эффективной диэлектрической проницаемости фотонного кристалла от длины волны [37]
Вдали от запрещенной зоны эффективная проницаемость определяется средней величиной проницаемости элементарной ячейки кристалла. Внутри запрещенной зоны эффективная проницаемость должна быть отрицательна, так как электрическое поле затухает внутрь структуры, и, соответственно, на краю запрещенной зоны должна существовать переходная область, в которой проницаемость обращается в нуль. Как показывают расчеты и эксперименты [37, 38], при падении на такой слой излучения с длиной волны, соответствующей переходной области, пучок света испытывает рефракцию с большим углом, направление которой противоположно классическим материалам с проницаемостью больше единицы (рис. 15). Это явление получило название суперпризмы и может быть использовано для создания сверхминиатюрных спектрометров высокого разрешения на одном чипе [38].

104
В.Н. Васильев, В.Г. Беспалов


Рис. 15. Преломление расходящегося пучка в фотонном кристалле [37]
На рис. 16 приведены результаты одного из экспериментов, проведенных исследователями японской фирмы NEC, работающими в области создания и использования фотонных структур в системах связи.
Они изготавливают фотонные кристаллы, используя стандартное оборудование для изготовления обычных полупроводников, и ими предложена технология с использованием подложки из кремния, на которой методами литографии изготавливается рельеф в виде периодически расположенных полушарий, куда затем последовательно наносятся 20 чередующихся слоев окиси кремния и чистого кремния (рис. 17).
Преимущество данной технологии в том, что фотонная структура самоорганизуется, а материалы абсолютно нетоксичны.

Рис. 16. Эксперимент по созданию суперпризмы на основе фотонного кристалла [38]

Информационные технологии, оптический компьютер и фотонные кристаллы 105
Рис. 17. Пример фотонного кристалла, изготовленного фирмой NEC [39]
В последнее время фотонно-кристаллические и микроструктурные волокна привлекают все большее внимание в связи с их уникальными свойствами [40 - 43]. Как правило, эти волокна включают периодическую структуру воздушных пустот в пределах кварцевой сердцевины, причем в центре находится либо кварцевое ядро (рис. 18), либо ядро в виде полого воздушного волновода (рис. 19).


Рис. 18. Микроструктурное волокно с кварцевым ядром [43]

106
В.Н. Васильев, В.Г. Беспалов


Рис. 19. Фотонно-кристаллическое волокно с воздушным ядром [45]
Волноводный эффект в таких структурах осуществляется благодаря внутреннему отражению от периодической структуры «воздух-кварц» и созданию широкой запрещенной зоны для излучения, распространяющегося вдоль такой структуры [41 - 42]. В отличии от обычных волокон, в фотонно- кристаллических расположение и размер воздушных полостей позволяют в широких пределах варьировать их параметры. Микроструктурные волокна сохраняют одномодовый характер распространения с минимальными потерями в широкой области спектра, могут обладают нулевой дисперсией групповых скоростей вплоть до 650 нм [44] (для примера, обычные кварцевые волокна не могут иметь нулевую дисперсию ниже длины волны
1.28 мкм).
Фотонно-кристаллические волокна менее чувствительны к изгибам волокна и к его кручению. Возможность создания волокон с аномальной дисперсией групповых скоростей в ближнем ИК диапазоне обеспечивает перспективы для создания солитонных линий связи [45] с длительностью отдельного импульса в фемтосекундном диапазоне, поскольку именно в этом диапазоне спектра наиболее развита фемтосекундная лазерная техника.
Волокна с воздушным ядром способны пропускать значительно более мощное лазерное излучение, поскольку воздух имеет высокий порог оптического пробоя. В настоящее время разрабатываются технологии создания промышленного изготовления таких волокон, и достигнуты определенные успехи. Создание волокон с дисперсией групповых скоростей, близкой к нулю в широком диапазоне спектра, позволит увеличить как скорость передачи в одном информационном канале, так и

Информационные технологии, оптический компьютер и фотонные кристаллы 107 число спектральных каналов в системах частотного мультиплексирования
(уплотнения) оптических сигналов.

Заключение
Предсказания всегда трудны, однако прогнозы на будущее фотонно – кристаллических устройств довольно-таки оптимистичны. Уже сейчас создаются полупроводниковые лазеры и мощные одномодовые светотодиоды с использованием трехмерных фотонно-кристаллических резонаторов, волноводные оптические цепи с 90 0
-ными поворотами, оптические лимитеры, суперпризмы, фотонные волокна. Через несколько лет большинство этих устройств появится на мировом рынке высоко- технологичных изделий. Но, все-таки, главная перспектива для таких структур – это интегральный фотонно-кристаллический процессор – фотонный микрочип. Основные предпосылки для его создания уже сделаны
– определена структура логических ячеек, созданы фотонные цепи, в недалеком будущем обязательно появится фотонно-кристалический аналог транзистора. Оценки показывают, что при существующем темпе развития первые фотонные микрочипы могут появиться через 10…15 лет. Основные его черты, очевидно, будут следующими – это будет полностью трехмерная структура в виде куба, внутри будут размещаться оптические цепи и логические элементы, используемая логика – матрично-тензорная. Два противоположных ребра куба будут служить для ввода и вывода информации с использованием обычной оптики или микролинз, хотя на первом этапе это могут быть электрически управляемые полупроводниковые одномодовые светодиоды. Два других ортогональных ребра должны служить для ввода управляющих оптических сигналов, поступающих с других подобных процессоров, причем спектральный диапазон входных и управляющих сигналов должен быть различным.
Последние два ребра куба должны служить входом для излучения оптической накачки, питающей оптические транзисторы. Такой фотонно- кристаллический куб должен соединяться оптическими межсоединениями с
4 подобными процессорами, каждый из которых, в свою очередь, - также с 4 кубами, и такая плоско-объемная структура в конечном итоге должна образовать нейронную сеть со способностью к имитации человеческого интеллекта.
Рассматривая развитие электронных микрочипов – от момента создания первого процессора фирмой Intel в 1970 году до их повсеместного использования прошло 25…30 лет - можно предположить аналогичную тенденцию и для оптического компьютера. Тогда 2025…2030 годы станут годами его расцвета.

108
В.Н. Васильев, В.Г. Беспалов
Список литературы

1. Moore G.E. Progress in digital integrated electronics //IEEE IEDM Tech. Dig., 1975, P.
11-13.
2. Meindl J.D. Low power microelectronics: retrospect and prospect //Proc. IEEE, 1995, V.
83, P. 619-635.
3. McAulay A.D. Optical Computer Architectures: the Application of Optical Concepts to
Next Generation Computers, John Wiley & Sons, New York, NY (1991).
4. Arrathoon R. ed. Optical Computing: Digital and Symbolic, Marcel Dekker, New York,
NY (1989).
5. Feitelson D. G., Optical Computing: A Survey for Computer Scientists, MIT Press,
Cambridge, MA (1988).
6. Carts Y.A. Optical computing nears reality //Laser Focus World, 1990, V. 26, P. 53-54.
7. Craft N.C., Prise M.E. Processor does light logic //Laser Focus World, 1990, V. 26, P. 191-
200.
8. McCormick F.B., Cloonan T.J., Tooley F.A.P., Lentine A.L., Saisan J.M., Brubaker J.L.,
Morrison R.L.,Walker S.L., Crisci R.J., Novotny R.A., Hinterlong S.J.,Hinton H.S., Kerbis
E. Six-stage digital free-space optical switching network using symmetric self-electro- optic effect devices //Appl. Opt., 1993, V. 32, P. 5153-5171.
9. Dammann H., Gortler K. Holographic lens //Opt. Commun., 1971, V. 3, P. 312-316.
10. Lentine A.L., Miller D.A.B., Henry J.E. et al. Optical logic using electrically connected quantum well PIN diode modulators and detectors //Appl. Opt., 1990, V. 29, P. 2153-2163.
11. Guilfoyle P. S., Zeise F.F., Stone R.V. DOC II: 32-bit digital optical computer, opto- electronic hardware and software //Proc. SPIE, 1991, V. 1563, P. 267-278.
12. Guilfoyle P.S., Mitkas P.A., Berra P.B. Digital optoelectronic computer for textual pattern matching //Proc. SPIE, 1990, V. 1297, P.124-132.
13. Guilfoyle P.S., Rudokas R.S., Stone R.V., Roos E.V. Digital optical computer II: performance specifications //Optical Computing Technical Digest, 1991, P. 203-206.
14. Guilfoyle P.S., McCallum D.S. High-speed low-energy digital optical processors //Optical
Engineering, 1996, V. 35, P. A3-A9.
15. Yablonovitch E., Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics
//Phys. Rev. Lett., 1987, V. 58, P. 2059 - 2061.
16. Yablonovitch E., Gmitter T.J., Leung K. M. Photonic band structure: The face-centered- cubic case employing nonspherical atoms //Phys. Rev. Lett., 1991, V. 67, P. 2295-2297.
17. Photonic & Sonic Band-Gap Bibliography, http://home.earthlink.net/
jpdowling/pbgbib.html#Y
18. Денисюк Ю.Н. Об отображающих свойствах волновых полей //ДАН СССР, 1962, V.
144, p. 1275-1278.
19. Fogel I.S., Bendickson J.M., Tocci M.D., Bloemer M.J., Scalora M., Bowden C.M.,
Dowling J.P. Spontaneous emission and nonlinear effects in photonic bandgap materials
//Pure Appl. Opt., 1998, V. 7, P. 393-407.
20. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1973. - 720 с.
21. Inoue K., Wada M., Sakoda K., Yamanaka A., Hayashi M., Haus J. W. //Jpn. J. Appl.
Phys., Part 2, 1994, V. 33, P. L1463-L1465.
22. Tonucci R. J., Justos B. L., Campillo A. J., Ford C. E. Fabricating nanochannel glass
//Science, 1992, V. 258, P. 782-783.
23. Rosenberg A., Shirk J. S. Photonic crystals: intensity-dependent transmission protects sensors //Laser Focus World, 2000, V. 36, P. 121-128.

Информационные технологии, оптический компьютер и фотонные кристаллы 109
24. Kobayashi H., Okano M., Tomoda K. Optical properties of three-dimensional photonic crystals based on III-V semiconductors at infrared to near-infrared wavelengths //Appl.
Phys. Lett., 1999, V. 75, P. 905-907.
25. Yamamoto N., Noda S., Fabrication and optical properties of one period of a three- dimensional photonic crystal //Jpn. J. Appl. Phys., 1999, V. 38, P. 1282-1285.
26. Londergan J. T. , Carini J. P., Murdock D. P. Binding and Scattering in Two-Dimensional
Systems: Application to Quantum Wires, Waveguides and Photonic Crystals, Springer-
Verlag, New York, 1999.
27. Lee R.K., Painter O., Kitzke B., et al. Emission properties of a defect cavity in a two- dimensional photonic bandgap crystal slab //J. Opt. Soc. Am. B, 2000, V. 17, P. 629-633.
28. Fukaya N., Ohsaki D., Baba T. Two-dimensional photonic crystal waveguides with 60 0
bends in a thin slab structure //Jpn. J. Appl. Phys., 2000, V. 39, P. 2619-2623.
29. Johnson S. G., Fan S., Villeneuve P. R., Joannopoulos J. D., Kolodziejski L. A. Guided modes in photonic crystal slabs //Phys. Rev. B, 1999, V. 60, P. 5751-5758.
30. Lin H.-B., Tonucci R. J., Campillo A. J. //Appl. Phys. Lett., 1996, V. 68, P. 2927-2999.
31. Rosenberg A., Tonucci R. J., Bolden E. A. //Appl. Phys. Lett., 1996, V. 69, P. 2638-2640.
32. Tonucci R. J., Justos B. L., Campillo A. J., Ford C. E. //Science, 1992, V. 258, P. 782-783.
33. Lin H.-B., Tonucci R. J., Campillo A. J. //Opt. Lett, 1998, V. 23, P. 94-96.
34. Shirk J. S., Rosenberg A.,et al. //Appl. Phys. Lett., 1993, V. 63, P. 1880-1882.
35. Scalora M., Dowling J.P., Bowden C.M., Bloemer M.J. Optical limiting and switching of ultrashort pulses in nonlinear photonic band gap materials //Phys. Rev. Lett., 1994, V. 73,
P.1368-1370.
36. Dowling J. P., Bowden C. M. Anomalous index of refraction in photonic bandgap materials //J. Mod. Optics, 1994, V. 41, P. 345-349.
37. Enoch S., Tayeb G., Maystre D. Numerical evidence of ultrarefractive optics in photonic crystals //Opt. Commun., 1999, V. 161, P. 171-176.
38. Kosaka H., Kawashima T., Tomita A., Notomi M., Tamamura T., Sato T., Kawakami S.
Superprism phenomena in photonic crystals: Toward microscale lightwave circuits //J.
Lightwave Technol., 1999, V. 17, P. 2032-2038.
39. Kosaka H., Kawashima T., Tomita A., Sato T., Kawakami S. Photonic-crystal spot-size converter //Appl. Phys. Lett., 2000, V. 76, P. 268-270.
40. Joannopoulos J. D., Meade R. D., Winn J. N. Photonic Crystals: Molding the Flow of
Light (Princeton U. Press, Princeton, N. J., 1995).
41. Knight J.C., Birks T.A., Russell P.S.J., de Sandro J.P. Properties of photonic crystal fiber and the effective index model //J. Opt. Soc. Am. A, 1998, V. 15, P. 748-752.
42. Knight J.C., Birks T.A., Cregan R.F., Russell P.S.J., de Sandro J.P. Photonic crystals as optical fibres - physics and applications //Opt. Mater., 1999, V. 11, P. 143-151.
43. Ranka J.K., Windeler R.S., Stentz A.J. Visible continuum generation in air-silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800 nm //Opt. Lett., 2000, V.
25, p. 25-27.
44. Ranka J.K., Windeler R.S., Stentz A.J. Optical properties of high-delta air-silica microstructure optical fibers //Opt. Lett., 2000, V. 25, P. 796-798.
45. Wadsworth W.J., Knight J.C., Ortigosa-Blanch A., Arriaga J., Silvestre E., Russell P.S.J.
Soliton effects in photonic crystal fibres at 850 nm //Electron. Lett., 2000, V. 36, P. 53-55.



Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал