Исследователи из крупнейшей японской телекоммуникационной компании Nippon Telegraph and Telephone (NTT) показали, что работу оптоволоконных сетей можно значительно оптимизировать, используя ячейки оптической памяти. Недавно они опубликовали статью, которая включает в себя описание рабочей 105-битной схемы оптической памяти с произвольным доступом, изготовленной из тщательно структурированной серии фотонных кристаллов. Каждая ячейка может блокировать или пропускать свет со своей длиной волны.

Фотонными кристаллами называют материалы, обладающие свойством периодического изменения показателя преломления в пространстве. Обычно они изготавливаются из слоистых полупроводников с точно рассчитанной внутренней структурой, описывающей толщину волокон, их расположение и расстояние между ними. Это определяет характер взаимодействия излучения с материалом, который избирательно блокирует или пропускает свет в узком диапазоне длин волн.

Схема работы оптической памяти (изображение: www.ntt.co.jp).
Схема работы оптической памяти (изображение: www.ntt.co.jp).

Самые быстрые компьютерные сети – оптоволоконные, но и в них есть недостатки, приводящие к задержкам и снижению пропускной способности. Ранее была разработана методика «хранения» света отдельными вариантами фотонных кристаллов. Поглощая энергию светового импульса с определённой частотой, они переходили в высокоэнергетическое состояние. Если следом кристалл поглощает более интенсивный импульс, то сам испускает свет с исходными параметрами и возвращается в прежнее состояние.

Таким образом можно кодировать логические нули и единицы, храня их в ячейках оптической памяти. Находящаяся в высокоэнергетическом состоянии ячейка испустит свет при попадании на неё определённого импульса; это соответствует единице. Иначе получаем ноль.

Простейшая реализация этого процесса использовалась при коммутации с помощью оптических переключателей, размещаемых перед каждым кристаллом и направляющих световые импульсы в его заданные участки. Именно это и создавало ограничение: число битов лимитировалось тем, как точно переключатель может направлять свет и насколько миниатюрной должна быть вся схема.

Сравнение старой и новой схемы фотонного кристалла (изображение: Eiichi Kuramochi et al.).
Сравнение старой и новой схемы фотонного кристалла (изображение: Eiichi Kuramochi et al.).

По итогам выполненной физиками из NTT работы можно говорить о прорыве, ибо они создали действующий массив более чем из сотни оптических ячеек и технологию перемещения оптического переключателя для надёжной работы с ними. Так от параллельной схемы кодирования перешли к последовательной, увеличив плотность данных и скорость их передачи.

Фотонные кристаллы избирательно взаимодействуют со светом определённой длины волны и прозрачны для остального спектра. Поэтому их можно объединять в цепочку, где каждое звено будет работать на своей частоте.

Команда начала с использования слоёв индия-галлия-мышьяка-фосфора и индия-фосфора. Это позволило достичь разрядности в тридцать один бит, каждый из которых хранил свет с длиной волны, отличающейся от соседней на девять ангстрем. Затем они стали добавлять кремниевые полости и достигли более точного разделения. В новой модификации длины волн в соседних ячейках минимально различались уже на 2,3 ангстрема. Таким образом был создан чип, содержащий сто пять оптических ячеек памяти.

Это отлично для прототипа, но мало для начала масштабной реорганизации оптоволоконных сетей. Маленькая революция в телекоммуникациях начнётся тогда, когда удастся увеличить число ячеек либо разработать гибридную схему из нескольких оптоэлектронных чипов в каждом узле. Другая проблема заключается в большей энергоёмкости новой схемы. На питание 28-разрядной шины оптической памяти требуется 150 микроватт.

Структура простейшего фотонного кристалла (электронная микроскопия: Sandia National Labs).
Структура простейшего фотонного кристалла (электронная микроскопия: Sandia National Labs).

Подобные работы ведутся в научном комплексе Сандия, который объединяет две легендарных лаборатории Министерства энергетики США – Лос-Аламосскую и Ливерморскую. Обе научные команды близки к решению указанных проблем.

При практической реализации новых схем на фотонных кристаллах уже достигнуты весьма впечатляющие скоростные показатели. Группа из NTT сообщает, что процессы чтения/записи происходят менее чем за сто пикосекунд.