В начале 80-х годов в среде белорусских физиков-оптиков внезапно стали раздаваться странные рекламные выкрики: "У нас есть приоритет! Первый в мире оптический компьютер будет сделан в БССР! Завалим Родину (=СССР) оптическими компьютерами!" По понятным причинам одной из самых табуированных в науке тем является тема о том, что все ученые как бы стоят в двух очередях: первая - за открытиями, вторая - за деньгами. В первой очереди не шумят и не кормят власть имущих "завтраками", а накапливают интеллектуальный потенциал и упорным трудом продвигаются к своей цели, до которой можно и не дойти. Во второй очереди пробиваются к окошечку раздачи всяческих благ, пользуясь тактикой "научной" групповщины, политических интрижек и бурных обещаний уже завтра догнать и перегнать, накормить и напоить, открыть и создать. И матушка-природа, смеясь над страстишками ученых, справедливо распределяет свои милости: первым - только открытия, вторым - только деньги. Деньги на "первый оптический компьютер" текли рекой, и до его пуска оставалось всего ничего - сделать работоспособный оптический транзистор. Электронные транзисторы работали уже 35 лет, а вот оптические как-то не вытанцовывались, хотя ударными темпами защищались диссертации и получались должности. По этой причине белорусские ученые выполняли свои вычисления кто на бумаге, а кто и на двух электронных сверхмашинах - БЭСМ-6 и ЕС-1060 (где ЕС - это родное "е-эс", а не иноземное "и-си"). Далеко за океаном творилось то же самое: суля златые горы, оптики вкачивали мегабакс за мегабаксом в свое недееспособное детище, зато на фантастической высоте уже работал некто по имени Cray - суперкомпьютер и человек... Потом как-то внезапно пришло начало 90-х годов. Настолько внезапно, что, несмотря на обильное финансирование много обещающих (пишется раздельно) проектов, Беларусь по-прежнему не экспортировала никаких оптических компьютеров. Впрочем, и импортировать их было неоткуда. Как всегда, оптикам оставалось решить лишь несколько проблем - самых последних. А тем временем мой знакомый, буквально шатаясь от изумления, рассказывал мне, что новенькая 486-я DX2-50 обсчитала его фортрановскую программу втрое быстрее, чем БЭСМ-6... Сегодня, в конце 90-х, старушки БЭСМ-6 уже нет с нами - из нее наковыряли пару килограммов золота. Зато есть у нас в десятки раз более мощные "пентюшки", которые мы по доброте и от бедности величаем суперкомпьютерами. А где же долгожданные оптические компьютеры - отечественные или, на худой конец, импортные? Да всё там же - в дне завтрашнем.

Не подумайте, уважаемый читатель, будто я страдаю идиосинкразией на слово "оптика". Как можно не любить компакт-диски, фирменные или самописанные, а также устройства для их чтения и записи? Как можно без симпатии смотреть на лазерные принтеры и сканеры? Как можно не восторгаться волоконно-оптической передачей информации между континентами или между винчестером и SCSI-адаптером? Однако как можно не испытывать раздражения при упоминании об оптических компьютерах, которые попросту не существуют, хотя отъели за 20 лет приличный кусок финансирования от других научных проектов? А теперь посмотрите на картинку. Когда я впервые увидел ее, мне как-то подумалось: "Лестница, что ли?" А когда прочитал, что изображенное там устройство способно вдохнуть жизнь в оптические компьютеры, образ сразу же уточнился: "Лестница в никуда!" Я даже собирался сделать эту лирическую фразу названием данной статьи, но передумал по трем причинам. Во-первых, никакая это не лестница, а трехмерная решетка. Во-вторых, она наверняка найдет много применений и в оптической связи, и в микролазерах нового типа. А в-третьих, если благодаря этой решетке оптические компьютеры наконец-то родятся, отхватят у электронных компьютеров определенную нишу и оплатят выделенный им кредит доверия и средств, я буду рад их успеху.

Раз уж статья не получила неправильного названия, поговорим о правильном. В нем упоминается именно та решетка, фрагмент которой мы видим на картинке. Эта решетка своей 3D-архитектурой сильно напоминает штабель железнодорожных шпал или сложенные "решеткой" (каламбурчик!) дрова для будущего костра, однако материал совсем не тот, да и размеры в 100000 раз меньше. Брусочки решетки сделаны из поликремния, то есть поликристаллического кремния, а между ними - воздух. Более точно, в момент фотографирования между брусочками был вакуум, потому что это электронная микрофотография. У всех брусочков одинаковые прямоугольные сечения шириной 1,2 микрона и высотой 1,5 микрона. Решетка состоит из брусочков, но не сложена из них: она представляет собой единое целое и изготовлена по очень интересной технологии. Но о технологии чуть позже, а сейчас - об уникальных оптических свойствах этой решетки. Конец нашего века - время "умных" материалов, обладающих удивительными свойствами благодаря своей "умной" микроструктуре. Вот лишь несколько примеров: армированные углеродным волокном керамики и полимеры, полупроводниковые гетероструктуры с параметрами "под заказ", охлаждающие металлические пластины со встроенными микроскопическими трубопроводами. Рассматриваемая нами решетка - еще один пример "умного" материала: ее оптические свойства существенно отличаются от свойств кремния и воздуха, из которых она "соткана", именно по причине строгой периодичности ее структуры, напоминающей решетку кристалла. Параметры этой структуры - размеры брусочков и шаг между ними - определялись расчетным путем по законам квантовой механики таким образом, чтобы внутри решетки было абсолютно запрещено существование электромагнитного излучения с длинами волн, лежащими в узком спектральном диапазоне вблизи 10 микронов, в инфракрасной области. Шон Лин и Джим Флеминг, исследователи из Sandia National Laboratories, США, разработавшие и создавшие эту искусственную кристаллическую решетку, называемую ФОТОННОЙ РЕШЕТКОЙ или ФОТОННЫМ КРИСТАЛЛОМ, экспериментально подтвердили результаты расчетов: 10-микронные фотоны действительно не могут проникнуть внутрь их решетки и идеально ею отражаются, хотя для фотонов с другими длинами волн решетка прозрачна. Квантовомеханический запрет на определенные длины волн или энергии в периодических, кристаллических структурах не нов: он изучался теоретически еще в 30-х годах и позже позволил объяснить наличие и параметры запрещенной (для электронов) энергетической зоны в кристаллах полупроводников. Рукотворное изменение параметров запрещенной зоны также не ново: его научились делать в 80-х годах в полупроводниковых гетероструктурах. Первая фотонная решетка из элементов размером с булавку была создана Эли Яблоновичем в 1990 году, но ее запрещенная зона лежала в области миллиметровых волн. Наконец, в этом году Лин и Флеминг сделали первый микронный фотонный кристалл, работающий в инфракрасном диапазоне. Правда, им еще предстоит уменьшить параметры своей решетки в 7 раз, чтобы она "запрещала" 1,5-микронные фотоны, то есть работала в диапазоне коммерческой оптической связи. Однако независимые эксперты считают, что ученым из Sandia Labs на это потребуется не более года.

Квантовая механика давно работает в технике обработки и передачи информации, потому и фотонным решеткам найдется немало дел. Тончайшие фотонные кристаллы, идеально отражающие свет, позволят создать микроскопические лазеры нового типа, генерирующие импульсы крайне низкой мощности. Свойство фотонных кристаллов избирательно отражать свет определенных ("под заказ") частот, в сочетании с их микронными размерами, будет сразу же востребовано волоконно-оптической связью для разделения сообщений, передаваемых по одному волокну разными частотами. Однако самые фантастические перспективы фотонные кристаллы открывают для миниатюризации и интеграции устройств оптической обработки информации. Какими бы ни были внутренности будущего "оптического процессора", он, чтобы тягаться с электронными микропроцессорами, должен содержать миллионы элементов в маленьком объеме, и потому световые импульсы в нем должны преодолевать миллионы поворотов на пути от входа к выходу, причем с минимальными потерями энергии. Вот уж чего не любят электромагнитные волны по имени свет, так это круто и часто поворачивать! В существующей волноводной технике, основанной на переменном показателе преломления среды, свет удается повернуть на 90 градусов с малыми потерями энергии только в том случае, если радиус поворота больше 10 длин волны. При таких параметрах "оптической разводки" трудно говорить о миниатюризации и интеграции. Однако этим летом Лин и Флеминг экспериментально доказали, что внутри их фотонной решетки можно совсем без энергетических потерь повернуть электромагнитную волну на 90 градусов при радиусе поворота МЕНЬШЕ ОДНОЙ длины волны! Это такой же высший пилотаж, как развернуть бегемота в моей двухметровой прихожей! Итак, фотонные кристаллы оказываются еще и идеальными волноводами. Стоп, какими такими волноводами, если фотонный кристалл либо прозрачен для волны, либо, в запрещенной зоне спектра, совсем не пускает волну внутрь себя? Никакого противоречия. Свет с запрещенной длиной волны может проникать в те области фотонного кристалла, где в его периодической структуре созданы дефекты, то есть либо вырезаны кусочки кремниевых брусочков, либо вставлены более толстые кремниевые бруски. "Запрещенная" волна будет бежать без потерь по любым изгибам "проводящего" канала, образованного этими дефектами решетки, потому что она по-прежнему не может проникнуть в те области фотонного кристалла, где решетка не нарушена. Все это чрезвычайно напоминает легирование полупроводникового материала для придания ему нужных проводящих свойств.

Как же делают фотонные решетки? С помощью технологий, наработанных в микроэлектронике. Кремниевую пластину покрывают слоем диоксида кремния. В нем прорезают множество параллельных канавок с заданными геометрическими параметрами. Сверху наносят поликремний, пока он не заполнит канавки. Поверхность полируют до слоя диоксида. Первый слой поликремниевых брусочков, утопленных в диоксиде кремния, готов. Снова наносят слой диоксида. В нем прорезают такие же канавки, по глубине - до брусочков первого слоя, но перпендикулярно их направлению. Заливают поликремнием и полируют. И так нужное число раз. Получается требуемая поликремниевая решетка, утопленная в толстом слое диоксида. Как же ее вытащить оттуда? Удалить диоксид кремния плавиковой кислотой - вот и всё!

Когда-то молодой Ринго Старр сделал несколько замечательных песен методом, одноименным одной из них - "With a little help from my friends". Помощь друга - это не чудо, а норма. В сегодняшнем компьютерном мире появилась другая норма: абсолютный победитель вдруг протягивает руку помощи своему злейшему врагу и конкуренту, когда тот уже "на ладан дышит". Это тоже не чудо, а действие антимонопольных законов. Любопытно, к которому из этих двух вариантов следует отнести то, что электронные компьютеры лучшими своими технологиями помогают родиться оптическим компьютерам? Или это чудо?

Сергей СЕРЫЙ,
[email protected]