Скорость оптических сетей может вырасти в 10 раз

Открытие американских учёных Миллера и Харриса, основанное на использовании явления Штарка, позволит существенно увеличить пропускную способность сетей и компьютерных шин.

Бурное развитие беспроводных широкополосных технологий передачи данных, казалось бы, отодвинуло на второй план традиционные проводные телекоммуникационные решения. Однако не секрет, что мир куда в большей степени "опутан" проводами, кабелями и оптическими линиями, чем беспроводными сетями. Основная масса данных до сих пор передается по кабелям, ведь это гарантирует не только надежность связи, но и более высокую пропускную способность.

Именно поэтому ученые разных стран продолжают работы в области проводных технологий, и одно из последних открытий, сделанных в конце 2005 года, может в корне изменить представление о сетях на основе оптических кабелей. Профессора Дэвид Миллер и Джеймс Харрис из Стэнфордского университета, расположенного в американском штате Калифорнии, при поддержке корпорации Intel и американского правительственного Агентства по оборонным проектам, создали специальный модулятор, позволяющий существенно повысить скорость передачи данных по оптическим сетям.

Свет может передавать данные с гораздо большей скоростью, чем электричество, однако всегда существовали как технические, так и материальные трудности, препятствующие использованию света для передачи данных между кремниевыми микросхемами электронных устройств. В Стэнфорде нашли решение главной проблемы: инженеры университета изобрели ключевой компонент для обмена данными, который можно с легкостью встраивать в микрочипы. Этот компонент - модулятор, способный разбивать лазерный луч на "понятный" чипам двоичный код со скоростью несколько миллиардов бит в секунду. Столь многообещающее изобретение потенциально позволит в несколько раз увеличить скорость передачи данных.

Кроме того, современная высокоскоростная оптоэлектроника использует сравнительно редкие и дорогие материалы вроде арсенида галлия или фосфида индия, сопряжение которых с традиционными кремниевыми микросхемами представляет собой нетривиальную задачу. В идеале одна платформа должна использовать одни и те же материалы, прекрасно совместимые друг с другом, а наиболее распространенным материалом в современной электронике является кремний, поэтому его применение было бы наиболее рациональным решением.

Ученые из Стэнфорда вплотную приблизились и к решению этой проблемы. Дело в том, что созданный ими модулятор, представляющий собой твердотельный световой затвор, изготовлен из кремния и германия - элементов, широко распространенных в микроэлектронике. Поэтому такой модулятор будет не только дешев в производстве, но и идеально совместим с любыми современными микросхемами.

Разработанный коллективом под руководством Миллера и Харриса модулятор способен разбивать лазерный луч, на поток цифровых данных путем избирательного поглощения луча, при котором формируется ноль двоичного кода, и пропускания, при котором создается единица кода. Тем самым, по крайней мере, в некоторых из длинных магистралей, соединяющих микросхемы, может использоваться световод, обеспечивающий более высокую пропускную способность, чем традиционные проводные соединения.

По оценкам Миллера и Харриса, изобретенный ими модулятор, площадь которого может не превышать 0,001 мм ², позволит обеспечить работу шин данных на частоте 100 ГГц, что обеспечит в 50 раз большую скорость, чем соединения в современном компьютерном аппаратном обеспечении, и в 10 раз большую скорость, чем нынешние технологии оптической связи.

Для изобретения такого модулятора потребовалось преодолеть типичные научные догмы, свойственные физикам не в меньшей мере, чем ученым других специальностей. Ключ к открытию кроется в понимании того, каким образом электроны в атомах поглощают или пропускают свет. Электроны могут перемещаться лишь по определенным орбитам вокруг центра атома. Каждая такая орбита связана с энергетическим уровнем. Когда свет с необходимым объемом энергии или длиной волны достигает электрона, то он поглощает свет, энергия которого заставляет электрон "перепрыгивать" на следующую допустимую орбиту. В результате применения к атому сильного электрического поля этот атом может изменить длину волны света, поглощенного электроном. Этот процесс известен уже более века под названием явления или эффекта Штарка, который иначе можно описать как изменение частоты кванта, поглощаемого электроном, в результате приложения внешнего электрического поля.

Эффект Штарка позволяет материи выступать в качестве затвора для отдельных частотных составляющих светового потока, причем при приложении электрического поля кванты с той или иной частотой будут поглощаться. Однако для создания эффекта Штарка в самих атомах необходимы столь мощные электрические поля, что их невозможно использовать в микроэлектронике. Тем не менее, в сверхтонких слоях некоторых материалов можно создавать такую разновидность этого процесса, которая носит название квантово-ограниченным явлением Штарка. В таком случае эффект проявляется в арсениде галлия и фосфите индия при невысоких напряжениях, что уже используется в современном телекоммуникационном оборудовании высшего класса для передачи данных по фибероптике.

Перед Миллером и Харрисом стояла задача добиться проявления эффекта Штарка в материалах, совместимых с современным технологическим процессом по выпуску микросхем. Кремний и германий считаются элементами, в которых расположение электронов неблагоприятно для создания этого явления, однако ученые выяснили, что, по крайней мере, в случае с германием общепринятое мнение является ошибочным. В действительности же, энергетические уровни в атоме германия, которые не подвержены эффекту Штарка, маскируют гораздо более многообещающее в этом отношении уровни. Ученые приняли решение построить и испытать устройство, изготовленное из кремния и германия.

Результат получился удивительный: оказалось, что в том случае, когда энергетические уровни атомов германия надлежащим образом располагаются в кремниевом кристалле, их электроны не "утекают" с нужных учёным уровней на бесполезные. При этом достаточно было применить электрическое поле, подав напряжение всего в 3-4 вольта. Явление Штарка в германии было экспериментально доказано.

Интересно, что сами изобретатели даже не рассчитывали получить столь впечатляющие результаты. По словам Харриса, он не ожидал, что придуманное его коллективом устройство будет работать не хуже, а то и лучше многих обычных модуляторов.

Теперь главной задачей является заставить эти модуляторы работать со световыми волнами с частотой, применяющейся в телекоммуникационном оборудовании. Ученые не сомневаются в успехе своей работы, но пока трудно сказать, сколько времени уйдет на то, чтобы это открытие превратилось в коммерческую технологию. Тем не менее, как доказали Миллер и Харрис, потенциальное повышение пропускной способности магистральных оптических линий, как минимум, в десять раз при существенном удешевлении оборудования - задача вполне осуществимая, причем уже в обозримом будущем.

Научную статью c описанием открытия Миллера и Харриса можно скачать здесь (на английском языке).