Передовая оптика прокладывает путь новому классу технологий, потрясающих воображение

Оптическое общество США

Новый класс поражающих воображение технологий, в том числе использование оптики в вычислительной технике, телекоммуникационных линиях и переключателях, может быть создан просто формированием набора устройств, управляющих световым потоком, известных как интерферометры. Это напоминает ситуацию, когда используемые в электронике полупроводники стали основой большого спектра цифровых технологий, которые мы имеем в настоящее время.

Оптические технологии позволяют сократить энергопотребление компьютеров и оборудования высокоскоростных систем передачи, а также повысить чувствительность химических и биологических датчиков. Основными строительными элементами традиционной оптики являются зеркала и линзы, однако сегодня эти компоненты не дают возможности непосредственно реализовать выполнение вышеуказанных функций. Кроме того, во многих областях практического применения проблемой остается необходимость существенного уменьшения их размеров до нужных величин.

Принципиально новый подход к созданию новых оптических технологий на основе одного-единственного устройства, известного как интерферометр Маха — Цендера, позволяет преодолеть данные ограничения и привести к появлению новых разнообразных областей их применения. Это открывает дорогу для создания абсолютно иного класса технологий, которые могут сделать оптику функционально гибкой, подобно современной электронике.

Доктор Дэвид Миллер (David A. B. Miller) из калифорнийского Стэнфордского университета является автором сообщения, в котором оцениваются потенциальные возможности интерферометров. В своей статье Миллер пишет о том, что в последнее время исследователи в области применения оптики начали понимать, что интерферометры могут рассматриваться как универсальные «строительные блоки», из которых можно создать, по существу, любой оптический прибор, какой мы только способны себе представить. Это сообщение опубликовано в новом журнале Optica, издаваемом Оптическим обществом США.

Ранее такой подход мог рассматриваться с точки зрения практической реализации, только если интерферометры Маха — Цендера обладали бы идеальными характеристиками, что практически недостижимо.

Интерферометром, по сути, является любое устройство, которое разделяет и снова объединяет оптические лучи (волны). Как и звуковые волны, оптические волны могут налагаться друг на друга так, что сигналы, переносимые ими, складываются. То есть они могут интерферировать и уничтожать друг друга. Основная способность интерферометров работать в режимах «включено/выключено» («1»/«0») позволяет использовать данные приборы параллельно и разнообразно конфигурировать схемы их совместной работы.

Интерферометры Маха — Цендера являются специализированными версиями этих устройств. Они расщепляют свет (излучение) одного или двух источников в два новых луча и затем рекомбинируют их. Такие устройства уже используются в некоторых специальных научных областях и для коммутации лучей в оптической связи.

Более разнообразному использованию этих устройств в бытовой технике и других областях применения препятствовал несовершенный способ разделения луча света при его введении в прибор. В идеале лучи должны расщепляться точно симметрично, в соотношении 50/50. В реальности такое разделение не достигается. Это означает, что при рекомбинации лучей сигнал на выходе интерферометра не может быть полностью погашен, что не дает возможности инженерам полностью управлять передачей оптического сигнала.

Новый подход, предложенный в упомянутой публикации, представляет собой альтернативное направление исследований. Вместо того чтобы создавать единственный совершенный компонент, исследователи предполагают, что возможно создание решетки (сетки) интерферометров, в которой при надлежащем программировании можно компенсировать несовершенство составных частей и таким образом обеспечить идеальные характеристики устройства в целом.

Возможность складывать (объединять) или гасить оптические сигналы в заданном оптическом тракте является критической для технологии. Однако исследователи поняли, если из интерферометров Маха — Цендера формировать большие решетки и управлять их работой, то можно создать систему с требуемыми совершенными рабочими характеристиками. В этом случае решетки (матрицы) будут способны выполнять любые так называемые «линейные» оптические операции, во многом подобно тому, как компьютеры реализуют любые логические операции за счет управления функциями полупроводниковых приборов «включить/выключить».

Последним шагом в этом процессе было изобретение алгоритма — по сути, программы управления, которая делает матрицу «самоконфигурируещейся», что позволит прокладывать оптические трассы на основе сигналов, принятых простыми оптическими датчиками, встроенными в систему.

Алгоритм автокоррекции дал возможность исследователям использовать матрицы интерферометров с неидеальными характеристиками с последующей компенсацией этих отклонений от идеала, чтобы заставить их работать так, как если бы они были идеальными. Такие алгоритмы помогают контролировать фазовый сдвиг в интерферометрах с целью определить, сигналы сложились или взаимоуничтожились, просто проверяя наличие оптического сигнала на входе разных детекторов.