Большинство существующих высокоскоростных цифровых сетей построено на базе оптического волокна. Аппаратные средства, установленные на каждом из концов оптического кабеля, преобразуют оптические сигналы в электрические для определения пункта назначения каждого пакета и выполняют обратное преобразование для передачи пакета дальше по кабелю. Исследователи из японской телекоммуникационной компании NTT считают, что такая череда преобразований является расточительной тратой энергии и времени, которой можно избежать при помощи использования специализированных оптических узлов. И одной частью такого узла может стать оптическое устройство памяти с произвольным доступом (RAM, Random Access Memory), опытный образец которой имеет ёмкость 115 бит и состоит из структурированной матрицы фотонных кристаллов, каждый из которых может хранить в себе импульс света определённой длины волны.
Фотонные кристаллы состоят из многослойных полупроводниковых материалов. Структура этих кристаллов – ширина, длина и толщина слоёв полупроводниковых материалов – должна быть выдержана с очень высокой точностью, именно эти параметры определяют, как фотонный кристалл взаимодействует с фотонами света. Используя различные виды структуры фотонных кристаллов, можно добиться того, что они будут выборочно блокировать или пропускать свет только в определённом узком диапазоне длины волны.
В предыдущих исследованиях учёные использовали фотонные кристаллы для «сохранения» света. Фотонный кристалл, настроенный на определённую длину волны, поглощает импульс света и переходит в высокоэнергетическое состояние, которое постоянно «подпитывается» слабым светом из дополнительного источника. Более интенсивный импульс света заставляет кристалл излучить тот импульс, который был записан в него ранее, а сам кристалл при этом переходит в низкоэнергетическое состояние.
Вышеописанный эффект идеально подходит для создания битов оптической памяти. Если в фотонном кристалле содержится импульс света, то при повторном его освещении он излучит достаточно сильный свет, что может быть интерпретировано как логическая «1». Если в кристалле не содержится записанный ранее импульс света, то его вторичное излучение будет слабым, что можно интерпретировать как логический «0». А отключение света «подпитки» просто стирает всю записанную в кристалл информацию.
Так как фотонные кристаллы могут быть настроены только на определённую длину волны, учёные создали из них матрицу, каждый кристалл которой реагирует на свет своей определённой частоты, беспрепятственно пропуская фотоны света с другой частотой. При прохождении света через такую структуру обязательно найдётся кристалл, который поглотит этот свет или под его влиянием выдаст наружу записанную в него ранее информацию. Исследователи создали фотонные кристаллы, используя череду слоёв соединения индия-галлия-мышьяка-фосфора и индия-фосфора. Это позволило им создать 31 бит памяти, способный хранить свет с определённой длиной волны. Промежуток между длинами волн света, хранимого в соседних кристаллах, составляет 0,9 нм. Использование такой же структуры, созданной уже на кремниевом основании, позволило улучшить параметры оптического устройства, которое имеет ёмкость 115 бит при полосе разделения 0,23 нм.
Конечно, сотня бит не является впечатляющей величиной на сегодняшний день. Но учёные считают, что, объединив такие устройства оптической памяти с оптическими коммутаторами, можно создать двухмерную и трёхмерную матрицу памяти, которая будет иметь любой необходимый объём. Процессы чтения и записи информации в биты оптической памяти протекают достаточно быстро и производятся при помощи импульсов света длительностью порядка 100 пс.
Отрицательной стороной оптической памяти на основе фотонных кристаллов является то, что для её функционирования требуется достаточно большое количество энергии. Процессы чтения, записи и «подпитки» фотонных кристаллов требуют световой энергии, память 28 бит потребляет около 150 мкВт энергии, количество которой увеличивается по сложной зависимости при увеличении количества бит памяти. Если учёным не удастся решить проблему энергопотребления оптической памяти на фотонных кристаллах, то её использование будет оправдано лишь в очень редких случаях.
Комментарии