Фотонная схемотехника

"Фотонный кристалл" - типичный неологизм, один из тех случаев, когда длинное, неудобное, но точное определение заменяется приблизительным, но коротким и практичным. Когда такое происходит, это явный признак того, что "лед тронулся".

Новое - это хорошо забитое старое.
Cтоляр

«Фотонный кристалл» - типичный неологизм, один из тех случаев, когда длинное, неудобное, но точное определение заменяется приблизительным, но коротким и практичным. Когда такое происходит, это явный признак того, что «лед тронулся». Однако полезно знать, что идеи, активно «пошедшие в рост» под флагом исследований фотонных кристаллов (сам этот термин появился в 1990-х годах), долгое время развивались в рамках работ по голографии в трехмерных средах (примерно с 1964 года - работа Абелла [Abella], Курнита [Kurnit] и Хартмана [Hartman] о наблюдении фотонного эха).

Чуть позже, примерно с 1971 года, стали публиковаться отчеты об исследованиях динамических голограмм с записью в нелинейных средах. Ряд ключевых результатов в этой области принадлежит нашим соотечественникам: Б. И. Степанову, Е. В. Ивакину и А. С. Рубанову (первая схема обращения волновых фронтов, 1971), Н. Ф. Пилипецкому, В. И. Поповичеву и В. В. Рагульскому (открытие концентрации света с помощью обращения его волнового фронта, 1977), Б. Я. Зельдовичу и В. С. Файзулову (открытие эффекта «динамических зеркал» в средах с вынужденным рассеянием, 1972), Е. И. Штыркову и В. В. Самарцеву (исследования эффекта памяти динамических голограмм в неравновесных средах, 1975).

В те времена в ходу был термин «оптические среды с периодическими неоднородностями структуры» - по сути, это определение кристалла, ибо что есть кристалл, как не структура с периодическими неоднородностями?

Вся «классическая» схемотехника электронных устройств концептуально базируется на взаимодействии элементов схемы путем обмена материальными носителями сигналов. Квантовый характер явлений, лежащих в основе «функционирования» фотонных кристаллов, потребует от разработчика систем на этой «элементной базе» определенной перестройки сознания и даже представлений о том, что такое сигналы в этих устройствах и как происходит передача информации внутри системы, поскольку привычного «обмена материальными носителями сигналов» в них зачастую не происходит. Необходимость такой перестройки вызвана и тем, что в устройствах, где переносчиком сигналов служит свет, существенную роль начинают играть причинно-следственные отношения событий, инициируемых светом.

Как известно, скорость света в вакууме является предельной скоростью передачи любых сигналов (и взаимодействий вообще) в нашем Мире. Иными словами, никакое явление не может произойти по причине другого явления раньше, чем через промежуток времени, необходимый свету для преодоления расстояния между точками в вакууме, в которых эти явления имели место.

Но вот не в вакууме все становится много интереснее. Во-первых, из-за того, что скорость света в веществе меньше, чем в пустоте. А во-вторых, по причине того, что в среде могут существовать другие переносчики взаимодействий (а стало быть, причинно-следственных отношений), более быстрые, чем свет.

В обоих случаях возникают локальные «сдвиги» или пространственные неоднородности, типа опережения или запаздывания фронта волны превращения причин в следствия, зримо наблюдаемые как оптические явления. Так, фактор замедления света в веществе «отвечает» за большинство явлений линейной оптики - свойства линз, дисперсионные явления в призмах и т. д. А присутствие в среде «сверхсветовых» переносчиков взаимодействий (сигналов!), лишающих свет монопольного права определять, что есть причина, а что следствие, приводит, в частности, к возникновению эффекта Вавилова-Черенкова (Черенковское излучение) - рождению конусообразного волнового фронта светового излучения при движении частиц в веществе со скоростью, превышающей скорость света в данной среде. Напоминает звуковую ударную волну, возникающую при движении самолета со скоростью больше скорости звука в воздушной среде, не правда ли?

Фотонные кристаллы, «скорость света» в которых может варьироваться в весьма широких пределах, обеспечивают беспрецедентные возможности организации невиданных доныне явлений, в основе которых лежат локальные «нарушения» причинно-следственных отношений. Эффекты отрицательной рефракции, обращенный эффект Вавилова-Черенкова и ряд других - примеры такого рода.

Однако вернемся к «фотонной схемотехнике». Рассмотрим для примера два аналоговых логических устройства - классическое и квантовое - на основе фотонного кристалла типа «оптический полосовой фильтр».

Классическое логическое устройство имеет один вход и два выхода. В зависимости от свойств сигнала на входе (информация представляется аналоговыми параметрами сигнала, например, его частотой), формируется один из двух выходных сигналов.

Квантовым аналогом такого устройства может являться простейший фотонный кристалл, функционально подобный просветляющему оптическому покрытию линз. Как известно, «работа» фотонного кристалла основана на явлении интерференции световых волн, рассеянных элементами его внутренней структуры (см. рис. 2). Логика его работы проста: «если длина волны на входе равна заданной (логическая единица), то «выход 1» := 0, «выход 2» := «вход», иначе «выход 1» := «вход», «выход 2» := 0».

«Пикантность» ситуации здесь в том, что когда в качестве сигналов мы начинаем использовать слабые, состоящие буквально из одиночных фотонов пучки света, становится очень заметно следующее (рис. 3): фотон, энергия которого соответствует логическому нулю, «прилетев» в точку 1, имеет примерно равные шансы отразиться или пройти вглубь слоя, однако он отражается, поскольку структура кристалла выбрана так, что обеспечивается интерференционное гашение любой волны кроме отраженной. Отсюда вопрос: как в точке 1 фотон «узнает», что он «обязан» отразиться, если в этот момент он еще «не побывал» внутри кристалла? А «побывать» там он не сможет, поскольку «обязан» отразиться сразу же после прихода в точку 1. Тут, как говорится, одно из двух…

И еще одно важное обстоятельство. «Работу» нашего квантового устройства нельзя наблюдать «изнутри». Попытка «увидеть» фотон внутри кристалла при помощи любого регистрирующего прибора, помещенного в структуру устройства, окончится нетривиально: фотоны будут регистрироваться, но устройство работать перестанет (так как «регистратор» нарушит собой расчетную волновую схему внутренних отражений). Если же при разработке нашего логического устройства мы изначально введем регистратор в структуру кристалла (как неотъемлемый расчетный элемент этой структуры), то само устройство заработает, а регистратор будет «молчать».

Интересно получается, не правда ли? Функционирование прибора определяется структурой рассеяния фотонов внутри кристалла, однако никаких фотонов при нормальной работе внутри кристалла обнаружить нельзя! А вообще-то, все подобные устройства с точки зрения внешнего наблюдателя представляют собой своеобразные «черные ящики», конструкция и принцип действия которых известны, а посмотреть, «как там все это работает», - нельзя.

В отличие от любых классических устройств, где «внутри» происходят какие-то процессы, приводящие к возникновению выходных сигналов, в нашем случае «внутри» ничего не происходит! Вернее сказать, там происходят вещи куда более глубокие. Там формируются причины внешнего поведения устройства (или вероятности, что звучит привычнее, но управление вероятностями это и есть создание соответствующих причин. Знаете, на что это похоже? На ситуацию, когда к экзаменатору подходит, чтобы взять билет, уверенный в своем знании отличник, а профессор и говорит ему: «давайте зачетку. Я же знаю, что вы прекрасно разбираетесь в этой теме. Ставлю отл.». Мораль - студент ранее создал причины такого поведения преподавателя).

Вот мы и подошли к важному промежуточному итогу: разработка квантового логического устройства на базе фотонных кристаллов, по сути, представляет собой проектирование структуры причин его внешних проявлений (свойств).

Фотонные кристаллы, получившие название фотонных изоляторов, не поглощают свет, поскольку в них отсутствуют причины его поглощения. И они не пропускают свет, потому что в них отсутствуют причины его пропускать. А дальше вступает в действие принцип дополнительности - «если не это, значит, то». Если свет не поглощается и не проходит, следовательно, он отражается, - имеем идеальное зеркало. И наоборот. Если не поглощается и не отражается, значит… правильно! - проходит насквозь, так как нет причин не проходить. Имеем фотонный сверхпроводник.

Читателям, знакомым с квантовой механикой, вероятно, будет понятно, что такое «причинно-следственное программирование», по существу, представляет собой отыскание подходящей структуры кристалла, в которой реализуется требуемый вид волновой функции фотона, которая (если говорить об этом в очень грубом приближении!) описывает вероятности его регистрации или взаимодействий. Мы «оперируем», таким образом, не с частицами, но лишь с вероятностными оценками их «поведения», пытаясь заложить основы того, чтобы частицы эти с высокой вероятностью вели себя так, как нам нужно. На «нормальном» языке это и называется создать причины. Это сложнейшая вычислительная задача, трудность которой растет по мере увеличения размерности проектируемого кристалла.

Фотонные кристаллы «обычной» пространственной размерности - одномерные дифракционные решетки (1D), двумерные матрицы неоднородностей - слои (2D) и, собственно, трехмерные кристаллы - по сути своей статичны, хотя и предоставляют разработчикам огромное разнообразие эффектов и свойств, реализуемых, как об этом обычно говорят, в пространственной области.

Применение динамических неоднородностей, «уложенных» в структуру кристалла, позволяет добавить еще одну размерность - время.

При этом мы расширяем понятие кристалла как периодической в пространстве структуры, вводя периодичность во времени. Полученный кристалл смело можно считать четырехмерной структурой (4D), где четвертым измерением является время. Расчет динамики таких структур сложен, однако их потенциальные возможности богаче свойств трехмерных (хотя, казалось бы, куда уж больше!)

Для иллюстрации некоторых свойств 4D-фотонных кристаллов можно привести следующий пример. Вспомним, что обычная толстослойная (объемная, 3D) голограмма представляет собой пространственное распределение оптических неоднородностей (сравните с определением фотонного кристалла!) и является статической моделью пространственной передаточной функции объекта съемки. Дополнив пространственное распределение неоднородностей временным распределением (попросту говоря, задав закон изменения во времени оптических свойств элементов фотонного кристалла), мы получим среду для фиксации полной пространственно-временной передаточной функции объекта.

Кроме того, поведение во времени оптических свойств элементов фотонного кристалла может зависеть от пространственного распределения электромагнитного поля (света) в нем, что, вообще говоря, привносит совершенно особое очарование перепутывания и взаимовлияния пространственных и временных процессов в кристалле. К каким внешним эффектам и проявлениям это будет приводить - без детального математического моделирования сказать нельзя.

В заключение стоит упомянуть еще вот о чем. В фотонных кристаллах, зачастую являющихся существенно нелинейными оптическими средами, способны возникать явления самоорганизации структурных неоднородностей, обычно описываемые в терминах теории диссипативных структур или динамического хаоса. С учетом сказанного выше, эти процессы могут означать принципиальную возможность функциональной самоорганизации кристалла как устройства.

Полагают, что исследования в этом направлении способны привести к принципиально новому методу создания устройств, при котором разработчик вместо детального конструирования будет занят в основном выбором типа нелинейности среды (характер нелинейности особенно легко «программируется» в технологии СВЧ-фотонных кристаллов) и подходящих начальных условий возбуждения неравновесного состояния (стартовый толчок, первопричина), которые приведут к развитию процессов самоорганизации, обеспечивающих желаемую функциональность среды.

Видимо, исторически первыми «изделиями» такого рода можно считать среды, предложенные Штырковым и Самарцевым в 1975 году. В них по причине сильно неравновесных процессов релаксации оптически возбужденных атомов возникают эффекты фотонного эха. При этом оптическая среда оказывается способной запоминать пространственную структуру и поведение во времени падающего на нее волнового фронта, а при переходе к равновесному хаотическому состоянию - воспроизводить запомненное, имитируя обращение «стрелы времени» (вектора причинно-следственных отношений). Помнится, шуму тогда было!

[i40726]