Фотонні кристали - новий тип оптичної пам'яті
Всім відомо, що більшість існуючих високошвидкісних цифрових мереж побудовані на базі оптичного волокна. Апаратні засоби, встановлені на кожному з кінців оптичного кабелю, перетворюють оптичні сигнали у електричні для визначення пункту призначення кожного пакета і виконують зворотне перетворення для передачі пакета далі по кабелю. Дослідники з японської телекомунікаційної компанії NTT вважають, що така низка перетворень є марнотратною витратою енергії і часу, якої можна уникнути за допомогою використання спеціалізованих оптичних вузлів. І однією частиною такого вузла може стати оптичне пристрій пам'яті з довільним доступом (Random Access Memory, RAM), дослідний зразок якої має ємність в 115 біт та який складається із структурованої матриці фотонних кристалів, кожен з яких може зберігати в собі імпульс світла певної довжини хвилі.
Фотонні кристали складаються з багатошарових напівпровідникових матеріалів. Структура цих кристалів, точніше, ширина, довжина і товщина шарів напівпровідникових матеріалів, повинна бути витримана сочень високою точністю, саме ці параметри визначають те, як фотонний кристал взаємодіє з фотонами світла. Використовуючи різні види структури фотонних кристалів, можна домогтися того, що вони будуть вибірково блокувати або пропускати світло тільки в певному вузькому діапазоні довжини хвилі.
У попередніх дослідженнях вчені використовували фотонні кристали для "збереження" світла. Фотонний кристал, налаштований на певну довжину хвилі, що поглинає імпульс світла і переходить в високоенергетичне стан, яке постійно підживлюється" слабким світлом з додаткового джерела. Більш інтенсивний імпульс світла змушує кристал излучить той імпульс, який був записаний у нього до цього часу, а сам кристал при цьому переходить в низькоенергетичне стан.
Вищеописаний ефект ідеально підходить для створення бітів оптичної пам'яті. Якщо в фотонном кристалі міститься імпульс світла, то при повторному його освітленні він излучит досить сильне світло, що може бути інтерпретовано як логічна 1. Якщо в кристалі не міститься записаний раніше імпульс світла, то його вторинне випромінювання буде слабким, що можна інтерпретувати як логічний 0. А відключення світла "підживлення" просто стирає всю записану в кристал інформацію.
Так як фотонні кристали можуть бути налаштовані тільки на певну довжину хвилі, вчені створили з них матрицю, кожен кристал якої реагує на світло своєї певної частоти, безперешкодно пропускаючи фотони світла з іншою частотою. При проходженні світла через таку структуру обов'язково знайдеться кристал, який поглине цей світ або під його впливом видасть назовні записану у нього раніше інформацію. Дослідники створили фотонні кристали, використовуючи низку шарів з'єднання індія-галлія-миш'яку-фосфору і індія-фосфору. Це дозволило їм створити 31 біт пам'яті, здатний зберігати світло з певною довжиною хвилі. Проміжок між довжинами хвиль світла, що зберігається в сусідніх кристалах, складає 0.9 нанометра. Використання такої ж структури, створеної вже на кремниевом підставі, дозволило поліпшити параметри оптичного пристрій, яке стало мати ємність до 115 біт при смузі поділу біт в 0.23 нанометра.
Звичайно, сотня біт не є вражаючою величиною на сьогоднішній день. Але вчені вважають, що об'єднавши такі пристрої оптичної пам'яті з оптичними комутаторами, можна створити двомірну і тривимірну матрицю пам'яті, яка буде мати будь-необхідний обсяг. Процеси читанні і запису інформації в біти оптичної пам'яті протікають досить швидко і вони виробляються за допомогою імпульсів світла, тривалістю близько 100 пікосекунд.
Негативною стороною оптичної пам'яті на основі фотонних кристалів є те, що для її функціонування потрібно досить велика кількість енергії. Процеси читання, запису і "підживлення" фотонних кристалів вимагають світлової енергії, що призводить до того, що 28-бітна пам'ять споживає близько 150 мікроват енергії, кількість якої збільшується по складній залежності при збільшенні кількості біт пам'яті. Якщо вченим не вдасться вирішити проблему енергоспоживання оптичної пам'яті на фотонних кристалів, то її використання буде виправдане лише в дуже рідкісних випадках.