Ученые и инженеры из Стэнфордского университета спроектировали и изготовили опытные образцы кремниевых наноустройств, которые, подобно призме, могут расщепить луч падающего на них света на составные части и преломить этот свет под прямым углом. Но самым интересным является тот факт, что это крошечное оптическое устройство было рассчитано полностью на компьютере с использованием специализированного алгоритма, который, в свою очередь, может быть использован для расчетов массы подобных устройств, способных по-разному манипулировать со светом.

Такие оптические наноустройства смогут стать базовыми элементами нанофотонных микропроцессоров для компьютеров следующих поколений, способных обрабатывать данные быстрей и эффективней их современных электронных аналогов.

Спроектированное устройство представляет собой кремниевую пластину с нанесенным на ее поверхность образом, напоминающим всем известный штрих-код.

Когда на устройство падает луч света, он расщепляется на два луча с различными длинами волн, отклоненными от направления исходного луча под прямыми углами. Все это происходит подобно тому, как работает призма, только с одной разницей, форма нового устройства весьма далека от формы классической призмы.

Рис. 1.

Структура оптического устройства, спроектированная при помощи программного алгоритма, представляет собой чередование полос кремния с воздушными промежутками. В этом устройстве используется эффект, который возникает при прохождении светом границы между двумя средами с различным значением коэффициента преломления. В этом случае некоторая часть света отражается назад, а некоторая часть проходит дальше, претерпевая небольшие изменения. Более того,

отраженный свет взаимодействует с проходящим светом весьма сложным образом, что приводит к появлению у устройства в целом весьма специфических и уникальных оптических свойств.

На выходе из устройства-расщепителя получаются два луча света, длины волн которого равны 1550 и 1300 нанометров соответственно. Свет таких длин волн широко используется в технологиях оптоволоконных коммуникаций, что делает наноустройства, наподобие расщепителя, совместимыми с фотоэлектрическими приборами, используемыми в коммуникационном оборудовании.

«Много лет исследователи, работающие в области нанофотоники, разрабатывали элементы, имеющие простые формы и структуру» – рассказывает профессор электротехники Елена Вуцкович (Jelena Vuckovic), возглавлявшая данные исследования, – «Наша программа позволила нам произвести нанофотонные элементы такой формы и строения, до которых не смог бы додуматься ни один из ученых, даже имеющий обширные знания, опыт в этом деле и разбирающийся даже в самых малых тонкостях всех происходящих процессов».

Рис. 2.

При помощи своего алгоритма ученые рассчитали структуру еще одного нанофотонного оптического элемента, строение которого весьма напоминает сыр, пронизанный массой сопрягающихся друг с другом полостей. Это устройство, в теории, должно маршрутизировать луч света, направляя его по определенным траекториям в зависимости от состояния нескольких других «управляющих» лучей света, входящих в устройство в заданных местах. Но, к сожалению, имеющиеся сейчас в распоряжении ученых установки не позволяют изготовить с требующейся точностью подобный элемент и проверить его работу на практике.

«Свет может нести гораздо больше данных, нежели электрический ток, распространяющийся по проводникам. Кроме этого, для передачи фотонов требуется меньше энергии, нежели для обеспечения перемещения электронов» – рассказывает Елена Вуцкович, – «К сожалению, существующие технологии нанопроизводства еще не позволяют нам реализовать на практике все возможности, предоставляемые разработанными нами алгоритмами. Но когда такие технологии станут доступны, мы будем готовы встретить этот момент во всеоружии и сразу приступить к разработке и созданию относительно простых нанофотонных коммуникационных устройств и более сложных процессоров, которые будут предназначаться для компьютеров будущих поколений».

Рис. 3.