Электроника на свету

Швейцарские инженеры разработали чип для сверхбыстрой передачи данных

Все мы знаем, конечно, что для работы электроники нужно электричество – или подключение к розетке, или батареи и аккумуляторы, которые требуется заряжать или менять. Но непосредственно на передачу данных электричество не влияет. А вот инженеры из Высшей технической школы Цюриха (Швейцария) додумались использовать его для этой цели напрямую. Недавно они разработали чип для сверхбыстрой передачи данных с помощью света.

В чем же состоит проблема? Электричество заставляет приборы работать, подает питание на микросхемы, однако для работы электронных цепей нужны «посредники». Горящая лампочка сама по себе не заставит работать интернет-сети.

Идеально, если бы данные передавались со скоростью света. Под ней ученые понимают абсолютную величину скорости распространения электромагнитных волн в вакууме, которая относится к фундаментальным физическим постоянным. На данный момент она считается равной 299792458 метров в секунду, или 1079252848,8 километра в час. Из специальной теории относительности следует, что скорость любого сигнала и элементарной частицы не может превышать этих величин. Таким образом, скоростью света можно назвать предельную скорость движения частиц и распространения физических взаимодействий. Близкую к этим значениям скорость могут иметь массивные частицы. Считается, что они обладают так называемой околосветовой скоростью, которая лишь на 3 метра в секунду меньше световой. Таковы, к примеру, протоны, полученные на ускорителе (скажем, на Большом адронном коллайдере) или входящие в состав космических лучей.

Некоторые надежды ученые возлагают и на так называемую антиматерию. По мнению исследователей, более 20% Вселенной составляет загадочная темная материя, которая не пропускает электромагнитное излучение и которую невозможно увидеть. Однако ее следы обнаружить все-таки можно по наличию позитронов – античастиц, входящих в состав космических лучей. Как полагают физики, темная материя состоит из вимпов – слабо взаимодействующих между собой тяжелых частиц. Для них характерны только слабое ядерное и гравитационное взаимодействия, поэтому их довольно сложно обнаружить экспериментальным путем. Масса вимпов должна как минимум в десятки раз превосходить массу протона. При этом они должны двигаться хаотически, со средней скоростью около 300 километров в секунду… Если бы удалось сконструировать двигатель, работающий на основе антиматерии, это стало бы настоящим прорывом и открыло бы перед человечеством невиданные перспективы.

Американским физикам Ронану Кини и Вэй-Мин Чзану при помощи программы GEANT4 удалось подсчитать: несмотря на то что собственная максимальная скорость таких частиц может достигать 80% скорости света, скорость их истечения из магнитного сопла может подниматься до 70% световой. Правда, для достижения этих показателей потребуется магнитное поле, индукция которого равна 12 тесла. С учетом современных технологий это вполне реальная цифра, утверждают исследователи. Хотя в принципе некоторые объекты способны передвигаться и со скоростью, даже превышающей скорость света, их нельзя использовать для переноса информации.

Между тем устройство, разработанное швейцарскими учеными, как раз решает эту задачу – конвертирует электрические сигналы в сверхбыстрые световые, при этом сохраняя качество сигнала. Эта технология пригодится для улучшения инфраструктур связи, работающих с использованием оптоволоконных сетей, например, для высокоскоростного Интернета, телевидения и стриминга. Однако на сегодняшний день пропускная способность этих сетей составляет всего 10^9 бит в секунду, а возрастающие нагрузки требуют в самом ближайшем будущем ее увеличения до 10^12 бит в секунду.

Авторам разработки впервые удалось объединить электронные и «световые» элементы на одной платформе. Ранее требовалось размещать элементы системы на разных чипах, которые затем соединялись проводами. Это требовало больших затрат и снижало производительность при преобразовании электрических сигналов в световые, то есть ограничивало скорость передачи данных.

Для объединения компонентов на одном чипе специалисты использовали плазмонику. Эта технология основывается на физическом явлении, называемом плазмоном. Последний представляет собой квазичастицу на поверхности материала, состоящую из облака свободных электронов, колеблющихся с частотой, близкой к частоте колебаний светового излучения. При этом частота его колебаний определяется характером поверхности материала, на которой создается плазмон, и от этого зависят оптические свойства поверхности.

Благодаря компактности новых чипов исследователи получили возможность изготовить монолитные микросхемы, включающие в себя и фотонный, и электронный слой. Для преобразования электрических сигналов в оптические в фотонный слой встроен модулятор интенсивности плазмы. Основанием ему служат металлические конструкции, задача которых – направлять световые потоки для достижения высоких скоростей передачи данных. На базе чипа четыре входных сигнала объединяются и усиливаются, образуя на выходе высокоскоростной электрический сигнал.

«Сейчас электрические сигналы преобразовываются в световые с помощью отдельных чипов – так мы теряем значительное количество качества сигнала, – поясняют разработчики. – Именно это и ограничивает скорость передачи данных с помощью света. Поэтому мы начали с разработки модулятора – компонента на чипе, который генерирует свет заданной интенсивности, преобразуя электрические сигналы в световые волны. Размер модулятора очень маленький, чтобы избежать потери качества и интенсивности в процессе преобразования».

Во время предварительного тестирования была зафиксирована скорость передачи данных, равная 100 гигабит в секунду. Так что в самом скором времени для нас может стать нормой понятие «световая электроника».

Ида ШАХОВСКАЯ