Электрооптические и магнитооптические модуляторы

Созданный в лабораториях IBM кремниевый электрооптический модулятор Маха-Цендера (Mach-Zehnder) преобразует электрические  сигналы в световые. Он в 100-1000 раз  компактнее, чем аналогичные устройства, созданные ранее. Это открывает возможность использования модулятора в однокристальных системах — как говорится, в официальном пресс-релизе, целая оптическая сеть может быть интегрирована в одной микросхеме. В свою очередь, это позволит существенно снизить стоимость, энергопотребление и тепловыделение, увеличив пропускную способность каналов связи между ядрами, не менее чем в сотни раз по сравнению с решениями, использующими проводные соединения.

Рис.8. Устройство электрооптического модулятора IBM.

На рис.8. показано устройство прибора. Его основой являются «кремниевые  нанофотонные волноводы», которые служат для управления потоками фотонов в кремниевом кристалле. Волноводы из тонких кремниевых полосок (показаны лиловым), диаметр которых в 200 раз меньше, чем диаметр человеческого волоса, сформированы на подложке SOI («кремний на изоляторе»). Электрические сигналы поступают к ним по электродам (желтый цвет). Электрические заряды («дырки» — зеленые, электроны — красные) инжектируются в волновод, изменяя оптические свойства кремния и выполняя функцию модуляции.

Рис.9.Схема работы модулятора.

Рис.9. поясняет схему работы модулятора. Входной луч лазера (показан красным) попадает в модулятор (коробочка  с логотипом IBM). Модулятор, работая, как очень быстродействующий  затвор, позволяет управлять лучом при помощи электрических сигналов. Когда электрический импульс (бит «1», отмечен желтым цветом) подается на модулятор, световой импульс получает возможность пройти через модулятор. Когда электрического импульса нет (бит «0»), модулятор закрыт и блокирует проход светового потока. Так, модулируя поток фотонов, прибор преобразует электрический сигнал в серию световых импульсов.

Если все пойдет так, как ожидают  ученые, по размеру и энергопотреблению  суперкомпьютеры будущего будут  напоминать сегодняшние ноутбуки.

Компания IBM сделала серьёзный шаг  на пути создания сверхмощных компьютеров. Инженеры IBM предложили соединять ядра и процессоры не электрическими проводниками, а оптическими волноводами. Это - прорыв в области создания микрочипов. Построен ультракомпактный электрооптический модулятор Маха-Зендера, способный “переваривать” 10 гигабит в секунду.

Суперкомпьютеры, состоящие из тысяч  процессоров, соединенных между  собой километрами проводов, благодаря  изобретению IBM смогут уместиться в  корпус обыкновенного ноутбука .

У модулятора есть два входа: цифровой электрический и для лазерного  луча, а выдаёт он импульсы света, отражающие поток двоичных нулей и единиц на входе. Применять это устройство можно будет не только в системах оптоволоконной связи, но и в качестве составной части центрального процессора будущего.

По прогнозам, такие машины будут  потреблять лишь несколько ватт вместо многих киловатт (как у нынешние суперкомпьютеры, занимающие залы).

“Мы верим, что это - главное продвижение в области нанофотоники на кремниевых чипах. Как появление оптоволоконных сетей привело к быстрому расширению Интернета, позволив пользователям обмениваться огромным количеством данных повсюду в мире, данная технология приносит подобные способности к компьютерной микросхеме”,- надеется глава проекта, доктор технических наук Уилл Грин.

2.Магнитооптический модулятор

 

Ряд веществ, в том числе ферромагнетики, обладают магнитной оптической активностью. Наведенная магнитным полем оптическая активность проявляется и двух эффектах - Фарадея и Керра. Эффект Фарадея сводится к повороту плоскости линейной поляризации светового луча, проходящего через магнитооптическую среду. Угол поворота при направлении магнитного поля вдоль луча пропорционален напряженности магнитного поля. Нечто похожее наблюдается и при отражении линейно поляризованного луча света от поверхности ферромагнитного материала в присутствии магнитного поля. Этот эффект именуют эффектом Керра. Прошедший или отраженный свет несет, таким образом, информацию о текущем значении напряженности магнитного поля на поверхности ферромагнитного материала, зафиксированную углом поворота плоскости поляризации луча.

Модуляцию луча по поляризации следует  преобразовать в модуляцию но интенсивности. Эта операция может  быть выполнена чисто оптическими средствами. .Для этого достаточно магнитооптический элемент поместить (по лучу) между скрещенными поляризаторами (направления пропускания линейно поляризованного света поляризаторов перпендикулярны). Систему скрещенных поляризаторов принято называть поляризационным микроскопом. Эта система, в принципе, не пропускает свет. Однако, если в такой микроскоп ввести оптически активную среду, то часть света, пропорциональная квадрату синуса угла поворота плоскости поляризации, пройдет через систему. Итак, с помощью эффекта магнитооптической активности удается промодулировать свет по интенсивности приблизительно пропорционально квадрату напряженности магнитного поля. Магнитооптические эффекты применяются при считывании информации с магнитооптических дисков.

2.1.Магнитооптические диски

 

 В обычных условиях магнитооптический  диск абсолютно нейтрален. Он  представляет собой многослойный  бутерброд из различных материалов  со спиральной дорожкой из  намагниченных точек. Изменение  параметров их магнитного поля  возможно только при значительном нагреве. Во всех остальных случаях рабочая область статична и не может размагнититься самостоятельно даже в теории. Следовательно, магнитооптический диск способен спокойно пережить даже всяческие детекторы службы безопасности аэропорта, не говоря уже о мирном лежании в ящике стола.

 

Рис.10. Магнитооптический диск.

 
Конечно, встает вопрос, как обеспечить запись и считывание информации, если температура изменения полярности материала около 150 градусов по Цельсию? Ответ прост: лазерные технологии. Лазерный луч нагревает магнитные биты на диске, доводя их до точки Кюри. А устройство намагничивания магнитооптического дисковода уже меняет их полярность так, как надо для записи информации. Затем магнитный бит охлаждается и становится опять неуязвимым для обычных магнитных полей. Следовательно, магнитооптическая технология элегантно решает две антагонистичные задачи: высокой надежности хранения и легкости перезаписи данных.

 
Магнитное поле каждого бита на диске  направлено отрицательным полюсом либо вверх (цифровой 0), либо вниз (цифровая 1). Чистый магнитооптический диск несет на себе одни нули. Таким образом, принцип чтения МО-диска очень смахивает на применяемый в обычной магнитной технике. Это обеспечивает достаточно высокие скорости чтения, хоть и уступающие жестким дискам,

. 
С записью дело обстоит несколько хуже. В это время магнит в дисководе всегда включен. Обычные магнитооптические диски нуждаются в двух поворотах диска для записи информации: при первом повороте все биты обнуляются (лазер все время включен). При втором лазер разогревает только необходимые биты, а магнит все также меняет их полярность, только уже на цифровую 1. Естественно, что неразогретые нолики не поддаются влиянию магнита дисковода, потому как они не дошли до своей точки Кюри.  В отличие от винчестеров, где запись ведется буквально "на лету", МО-диски теряют много времени на повторные проходы. Да и разогрев областей магнитных битов происходит мгновенно только с точки зрения обычного человека.

 
Как же происходит считывание? Тут действует эффект Керра, который установил, что плоскость поляризации луча света, отраженного от материала, вращается в зависимости от полярности этого материала. В магнитооптике вращение очень небольшое - меньше одного градуса, однако плоскость поляризации отраженного лазерного луча будет все же чуть смещена по часовой стрелке (цифровая 1) либо против нее (цифровой 0), в зависимости от поляризации, что и воспринимает дисковод. Такой подход позволяет значительно уплотнить информацию на единице площади и перейти к хранению нескольких гигабайт вместо сотен мегабайт.

   
Для оперативной работы с часто обновляемыми данными, такими как мультимедиа и цифровое аудио/видео, приложениями дизайна и издательства для архивации данных, ежедневной обработки данных сетевых серверов магнитооптическая технология предпочтительнее.

 

Список литературы

 

1. Ярив А. Введение в оптическую электронику. М.: Высшая школа, 1999. С. 231 - 246.

2. Смирнов А.Г.   Квантовая электроника и оптоэлектроника.      Мн.: Вышейшая школа, 2005. С. 105 - 110.

3. Пахомов И.И., Рожков О.В., Рождествин  В.И. Оптико-электронные квантовые  приборы. М.: Радио и связь, 2001. С. 302 - 304, 307 - 323.

4. Пихтин А.Н. Квантовая и оптическая  электроника. М.: Высш. школа, 2001.

5. Васильев А. А., Касасент Д., Компанеец И. Н., Парфенов А. В., “Пространственные модуляторы света.” М.: Радио и связь, 2010.

6. Мухин Ю. А. “Приборы и  устройства полупроводниковой оптоэлектронники.”  М.: изд-во МЭИ, 2007.

7. Н. Д. Жевандров. Анизотропия и оптика. М., "Наука",2000

8. Г. С. Ландсберг, Оптика. М., "Наука", 2000

9. У. Шерклиф, Поляризованный свет. М., "Мир",2003

10. М. Фрахт, Фотоупругость, т.1-2. М.,2010

11. А. Вайсбергер, Физические методы  в органической химии, пер. с англ. т.5, М., 2007

12. Квантовая электроника, изд. "Советская энциклопедия", М.,1999

13. Р. Дитчберн, Физическая оптика, пер. с англ.,М.,2010

14. Г. Иос,Курс теоретической физики, "Учпедгиз", М.,2007

15. М. Борн, Атомная физика, пер.  с англ., М.,2004