Инженеры Калифорнийского института технологий (CalTech) разработали переключатель, работающий с оптическими сигналами без использования электронных компонент. Такие устройства в будущем могут использоваться в сверхбыстрых оптических цепях обработки и передачи сигналов без участков передачи электрического сигнала через полупроводниковые устройства.
Оптические устройства потенциально способны передавать сигналы значительно быстрее, чем электронные. Последние (в настоящее время в основном полупроводниковые) используют электрические сигналы, основанные не движении электронов в проводниках и полупроводниках. Оптические же основаны на передаче светового импульса. Поэтому сегодня оптические устройства всё чаще используют для передачи данных. Самый известный пример — оптические кабели связи: оптоволоконный интернет значительно быстрее Ethernet-сетей на основе металлических проводов.
Оптический диапазон потенциально способен привести к очередной технической революции и в области компьютерных вычислений — оптоэлектронные устройства обрабатывают сигналы значительно быстрее и потребляют меньше энергии. Однако пока потенциал «оптических компьютеров» ограничен бутылочным горлышком: в какой-то момент на пути сигнала всё равно встретятся полупроводниковые элементы, например, транзисторы для обработки данных, и на этих участках придётся переключиться со светового сигнала на электронный.
Но это только пока: учёные и инженеры работают над преодолением этого узкого места. В частности, используя свойство оптической нелинейности некоторых полупроводниковых материалов, исследователи CalTech разработали переключатель, работающий только с оптическим сигналом. Статья о результатах этой работы вышла в июле 2022 года в Nature Photonics.
Переключатели — простейшие логические элементы вычислительных устройств. На них поступает сигнал, и в зависимости от определённых условий переключатель или пропускает его дальше по цепи, или задерживает. Это самая простая схема, работающая в режиме «Вкл/Выкл», лежит в основе всех логических устройств и вообще двоичной вычислительной техники, то есть в наше время — в основе подавляющего большинства компьютеров (а «меньшинство» — это разнообразная экзотика типа квантовых компьютеров, которые сегодня пока что находятся разве что на этапе «демонстрации технологий»). Но реализация этого функционала на оптических устройствах встречается с серьёзными трудностями. Электроны в транзисторах и в любых полупроводниковых материалах взаимодействуют друг с другом. Управление током через такие элементы в цепи в основном использует эту нелинейность. Например, можно контролировать ток и запирать прибор в зависимости от его силы. В то же время законы электродинамики линейны. Это один из базовых законов электродинамики — принцип суперпозиции; математически он выражается в линейности уравнений Максвелла по полям. Это значит, что фотоны (или электромагнитные волны, в зависимости от интерпретации), встречаясь в вакууме или простой среде, «не замечают» друг друга. Среда просто «не различает», прошёл ли через неё оптический импульс с некоторой интенсивностью, или с интенсивностью в несколько раз большей, и не может отреагировать, например, пропустив сильный сигнал и задержав слабый (сработать как логический вентиль). Управлять световыми сигналами можно при помощи специальных материалов с нелинейными оптическими свойствами, и такие материалы с сильной нелинейностью пока достаточно экзотичны.
Для разработки оптического переключателя использовали такой нелинейный материал — кристалл ниобата лития. Это соль, содержащая элементы литий, ниобий и кислород LiNbO3, в природе такой материал не встречается. Кристаллы этой соли прозрачны как раз в видимом и инфракрасном диапазоне, и из-за особенностей кристаллической решётки материал обладает особыми свойствами: оптический сигнал на выходе из него непропорционален входному.
Кристаллы ниобата лития используются в оптике несколько десятилетий, например, одно из применений — лазер с генерацией второй гармоники (получение луча с удвоенной частотой волны). Развитие нанотехнологий наконец позволило изготовить из этого материала интегрированное фотонное устройство, позволяющее захватывать свет в области небольших размеров. При этом в таких областях можно добиться значительной интенсивности света при одинаковой входной мощности пучка. Соответственно импульсы света, несущие информацию по оптической цепи, могут породить более сильный нелинейный отклик при прохождении через такой оптический управляющий элемент.
В разработке использовался не только пространственный, но и временной захват светового сигнала: поддерживалась очень маленькая длительность световых импульсов, а специальная схема оптического контура позволила сохранять эти импульсы достаточно кратковременными при движении через прибор. Таким образом импульсы имели большую пиковую энергию, что и позволило в полной мере использовать нелинейные характеристики материала.
«Чистовой» результат экспериментов — создание нелинейного разделителя пучка, в котором световые импульсы направляются по двум разным оптическим контурам в зависимости от их энергии. То есть удалось реализовать базовый логический вентиль для оптического сигнала вроде тех, что пока что реализованы в основном на полупроводниковых элементах и работают с электрическими сигналами. Переключение в таком вентиле занимает менее 50 фемтосекунд (квадрильонных долей секунды). Для сравнения — современные электронные переключатели обладают быстродействием в десятки пикосекунд (триллионных долей секунд), то есть срабатывают на много порядков медленнее. В последние годы проводятся эксперименты с созданием оптических переключателей на разных принципах, кроме оптически нелинейных сред. Их можно сравнивать между собой по двум основным параметрам — быстродействию и энергии, затрачиваемой на переключение. Как видно из сравнительной таблички из исходной статьи, их параметры в меру сопоставимы (и сильно превосходят изделия «традиционной» полупроводниковой электроники). Как и с квантовыми вычислениями, ещё неясно, какой из принципов построения станет основным, и «гонка технологий» в этой области пока в полном разгаре.
