Романенко Елена Владимировна
Одесская Национальная
Академия Связи им. А.С.Попова
Кафедра
защиты информации
Нанотехнологии и
перспективы развития инфокоммуникаций.
Нанотехнологии для
волоконной оптики.
Говоря о развитии инфокоммуникаций
мы, естественно, подразумеваем развитие телекоммуникационных и информационных
технологий и средств. Основными показателями этого развития являются скорости
передачи и обработки информации, а также конструктивные размеры и
энергопотребление. Какую роль здесь играют сегодня и могут сыграть в будущем
нанотехнологии? И что это такое –нанотехнологии?
Нанотехнологии – это технологии работы с веществом на
уровне отельных атомов. Традиционные методы производства работают с порциями
вещества, состоящими из миллиардов и более атомов. Это значит, что даже самые
точные приборы, произведенные человеком до сих пор, на атомарном уровне
выглядят как беспорядочная мешанина. Переход от манипуляции с веществом к
манипуляции отдельными атомами – это качественный скачок, обеспечивающий
беспрецедентную точность и эффективность.
Нанотехнологии обычно делят на три направления:
- изготовление электронных схем, элементы которых
состоят из нескольких атомов;
- создание наномашин, то есть механизмов и роботов
размером с молекулу;
- непосредственная манипуляция атомами и молекулами и
сборка из них чего угодно.
Полупроводниковая электроника развивалась во второй
половине прошлого века, в основном, на кремниевых интегральных микросхемах,
составивших базу развития кремниевой микроэлектроники, и на полупроводниковых
гетероструктурах, ставших базой сверхбыстрой и оптической электроник.
Важным для развития гетероструктур стала возможность
использования квантово-размерных явлений и управление спектром электронов в
кристаллах. Это сразу же дало очень много и для электроник. Возникновение
сверхбыстрой электроники связано с созданием биполярных гетеротранзисторов и с
так называемыми транзисторами на высокой электронной подвижности, что привело к
существенному увеличению скорости электронных компонентов, а в области
оптической электроники это связано с созданием принципиально новых типов
полупроводниковых лазеров.
Лазеры на двойных гетероструктурах позволили сегодня
получить коэффициент полезного действия, равный 74%. Это – самый
высокоэффективный преобразователь электрической энергии в световую.
Появление на рынке уже первых поколений лазерных
диодов на двойных гетероструктурах, лазеров Фабри-Перо, наряду с появлением
первых поколений оптических волокон с затуханием единицы и десятые доли Дб/км,
многомодовых, а затем и одномодовых, создало все необходимые предпосылки для
широкомасштабного внедрения на сетях дальней связи волоконно-оптических систем
передачи (ВОСП), привело, как следствие, к бурному процессу цифровизации сетей
и штурму скоростей передачи. Однако, этот штурм скоростей уже к середине 90-х
годов прошлого столетия достиг предельных частотных возможностей технологий и
средств временного способа мультиплексирования цифровых сигналов (TDM), что обусловило возникновение проблемы «нехватки
волокон в кабеле», но как положительный результат востребовало появление на
рынке новых технологий и средств дальнейшего увеличения скорости передачи по
одной физической цепи – оптическому волокну, основанных на способе
мультиплексирования цифровых сигналов по длинам волн (WDM), т.е. появление на сетях связи ВОСП-СР. Что же
касается предельных возможностей по скорости передачи для TDM, то они определялись электронными компонентами
аппаратуры того поколения, порядка 10Гбит/с. Поэтому в этот период развития появились
на рынке синхронные мультиплексоры только первых трех уровней иерархии
скоростей: СТМ-1, СТМ-4 и СТМ-16.СТМ-64 сразу не получился, первые поколения
ВОСП-СР уплотнялись в оптическом диапазоне цифровыми форматами со скоростями
передачи не выше 2,5 Гбит/с (СТМ-16).
Но успехи в области сверхбыстрой электроники, как уже
отмечалось ранее, позволили существенно поднять предельную скорость электронных
компонентов, что привело к появлению на рынке средств связи уже во второй
половине 90-х годов и СТМ-64, в том
числе и в составе последующих поколений ВОСП-СР. Дальнейшее увеличение
предельной скорости передачи для технологии TDM возможно только на оптическом уровне на основе
технологии OTDM. Именно на базе OTDM созданы СТМ -256 (40Гбит/с) и СТМ-1024 (160Гбит/с).
Ученые из Нидерландов сделали первый в мире светодиод
на основе нанонити толщиной 30нм и длиной 4мкм с квантовыми точками. Открытие
важно тем, что одноэлектронный транспорт в устройстве сочетается с однофотонной
оптикой. Преимущество квантового светодиода в несложном выращивании на
кремниевой подложке, что делает его идеальным решением для интеграции в
микроэлектронные сенсоры.
Кроме источников излучения и электронной элементной
базы успехи в области нанотехнологии привели к возможности кардинального
развития и другого важного компонента ВОСП – оптического волокна, созданию
волноводных структур нового типа – фотонно-кристаллических (ФК) или
микроструктурированных (МС) волокон.
Оптическое волокно давно и прочно вошло в нашу жизнь.
Нам трудно себе представить рабочий день без быстрого доступа к удаленным базам
данных, а наши выходные без отсылки огромного количества фотографий родным и
близким. И все же, стремительное увеличение мощности современных компьютеров, а
также развитие таких сервисов как Интернет-телефония и видеоконференции
многократно увеличивают нагрузку на электронные сети, что приводит к
ужесточениям требований к оптоволоконным приборам. Более того, по мере развития
этой области индустрии, для оптоволокна открываются все новые и новые
перспективы и приложения. Рассмотрим некоторые разработки в производстве
оптоволоконной продукции.
Инновации в волоконной оптике
Стандартное оптоволокно со
«ступенчатым» изменением показателя преломления направляет свет за счет эффекта
полного внутреннего отражения. Этот эффект легко наблюдать, если смотреть снизу
на стакан с водой под некоторым небольшим углом, поверхность воды будет
казаться зеркальной. Точно также лучи света в оптоволокне отражаются от стенок
и могут распространяться без потерь на значительные расстояния. В то же самое
время довольно низкие значения угла внутреннего отражения в оптоволокне (на
примере стакана с водой – вода будет казаться зеркальной только для довольно
узкого диапазона углов зрения) и волновая природа света диктуют условия, что
распространение света возможно только под некоторыми углами. Оптоволокно
поддерживает распространение некоторого конечного числа дискретных «мод».
Оптоволокно, которое допускает распространение только одной моды, называют
одномодовым – именно такие волокна наиболее пригодны для использования в
телекоммуникациях.
Какие же недостатки у такого стандартного оптоволокна
со ступенчатым изменением показателя преломления? На самом деле никаких. Такое
волокно довольно неплохо справляется со всеми приложениями, для которых оно
изначально было разработано. Проблема заключается в том, что современной
индустрии необходимо нечто большее. Обычное оптоволокно хорошо только для
простых приложений в телекоммуникациях. Огромное количество новых применений
возникло с появлением таких объектов как микроструктурированное волокно,
оптоволокно с фотонным кристаллом, волоконных лазеров, синхронизаторов мод на
углеродных нанотрубках, наноплазменных структур. Рассмотрим некоторые из них.
Оптоволокно с фотонным кристаллом
В отличие от всех остальных волокон оптоволокно с фотонным
кристаллом не использует идею полного внутреннего отражения. Локализация света
в центре такого волокна происходит за счет явления интерференции на
периодической структуре с размером порядка длины волны, созданной решеткой
цилиндрических полостей- фотонным кристаллом. Несмотря на то, что физика
фотонных кристаллов, и особенно их произвоство, еще только развиваются, мы
довольно часто сталкиваемся с родственными явлениями в повседневной жизни. Идея
фотонного кристалла состоит в том, что в периодической структуре лучи света,
отраженные от областей с разным показателем преломления, будут интерферировать
друг с другом, усиливаясь или ослабляясь в зависимости от соотношения длины
волны и периода структуры. Подобные явления придают яркую окраску крыльям
некоторых бабочек и голограммам на наших кредитных карточках. И в том и в
другом случае определенные цвета выделяются из белого света за счет
интерференции. В фотонном кристалле интерференция гасит (запрещает
распространение) для целого диапазона длин волн- в этом случае мы говорим о
«запрещенной зоне» по аналогии с электронной зонной структурой обычных
кристаллов. Такие запрещенные моды (длины волн) будут локализованы в
центральной части волокна на всем его протяжении.
Таким образом мы избавляемся от
необходимости создавать определенную разницу в показателях между внутренней и
внешней областями в оптоволокне –выбор материала для внутренней части теперь
ничем не ограничен. Более того, чаще всего используются полые волокна с
фотонным кристаллом, где свет распространяется внутри воздушной полости в
центре волокна ( в волокнах со ступенчатым изменением показателя преломления
это было бы невозможно – сердцевина волокна там всегда должна иметь больший
показатель преломления, чем его внешняя часть). Преимущество таких волокон
состоит в бесконечно малой дисперсии, поскольку свет теперь распространяется в
практически бездисперсионной среде –воздухе.
ФК-волокна обладают рядом уникальных свойств,
открывающих новые возможности для передачи оптических сигналов на гораздо
большие расстояния, поскольку затухание, нелинейность, хроматическую и
поляризационную модовую дисперсию в них можно в принципе уменьшить на порядок
по сравнению с современным кварцевым волокном. Такие волокна позволяют
существенно расшить по сравнению с обычными волокнами частотный диапазон,
соответствующий одномодовому режиму работы.
Уникальность ФК-волокон для лазерной физики,
нелинейной оптики и оптических технологий обусловлена возможностью управления
дисперсией волноводных мод за счет изменения их структуры и высокой степенью локализации
электромагнитного излучения в серцевине микроструктурированных волокон,
связанной со значительной разностью показателей преломления сердцевины и
эффективным показтелем преломления микроструктурированной оболочки.
Микроструктурированное оптоволокно
В отличие от оптоволокна со
ступенчатым изменением показателя преломления, которое производится из двух или
нескольких типов стекла микроструктурированное оптоволокно может быть
изготовлено целиком из одного типа стекла. Внешний слой с низким показателем
преломления заменен на большое количество цилиндрических полостей, заполненных
определенным газом или просто воздухом.
Техника производства таких волокон была предложена
впервые в 1991 году и с тех пор постоянно развивается. В основе технологии
лежит довольно простая идея: стеклянные капилляры относительно большого размера
складываются вместе в желаемую структуру, которая в последствии вытягивается
под нагревом в оптоволокно с определенным расположением воздушны полостей,
геометрия которых определяется изначальным расположением капилляров. В
зависимости от того как реализован механизм полного внутреннего отражения,
такие волокна можно разделить на два типа: полостные волокна и волокна на
фотонных кристаллах.
Полостные
волокна
В полостных волокнах стеклянная центральная
часть окружена набором цилиндрических воздушных полостей, что снижает
эффективный показатель преломления и сильно модифицирует эффект полного
внутреннего отражения. Поскольку размер воздушных полостей и расстояние между ними
сравнимы с длиной волны света (сотни нанометров), тои эффективный показатель
преломления будет варьироваться с длиной волны проходящего света. Результатом
этого является способность такого оптоволокна нести только одну моду, вне
зависимости от длины волны. Такие волокна обычно используются для передачи
высоких мощностей света и обладают низкой нелинейностью.
Преобразователи частоты на полостных лазерах
Возможность избавления от всяких
ограничений на среду, в которой распространяется свет внутри волокна, открывает
очень интересные перспективы и приложения. Так свет, распространяющийся внутри
центральной части волокна, заполненной определенным газом, будет собирать
информацию об этом газе. Проходящий свет возбуждает колебательные моды в
молекулах газа, которым заполнено волокно. Переизлучение света на пониженной
частоте, довольно слабый эффект, однако в случае оптического волокна он
усиливается за счет огромной длины, на которой происходит взаимодействие, а
также за счет локального усиления электрического поля.
К другим перспективным для развития инфокоммуникаций
направлениям современной науки и нанотехнологии следует отнести квантовые
компьютеры и квантовую связь – две составные части квантовой информатики.
Ускорение процесса вычислений на квантовом компьютере
лежит в квантовой природе кубитов. Наибольший интерес вызывают идеи создания
квантовых компьютеров в тведом теле, так как в этом случае возможно
использование всего накопленного мирового опыта в микро- и нанотехнологии, а
сами квантовые компьютеры будут иметь сходство с «чипами» микросхем.
Принципиально новым качеством систем квантовой связи
является возможность обеспечения безусловной секретности передачи данных. Такая
секретность основывается на фундаментальном законе природы – принципе неопределенности
Гейзенберга. Квантовая линия связи в современных опытах представляет собой
одномодовое оптическое волокно, а передаваемые данные кодируются в квантовом
состоянии, например, в поляризации или фазе одиночных фотонов. Соединение между
абонентами осуществляется с использованием обычной несекретной классической
линии связи. Свойства секретности квантового канала связи обнаруживаются при
передаче ключа одноразового пользования –случайной последовательности нулей и
единиц. C целью перехвата передаваемого ключа злоумышленник
должен перехватить каждый из фотонов, измерить его поляризацию (или фазу) и
переслать затем адресату. Измеряя состояние фотона, злоумышленник изменяет это
состояние (согласно принципу неопределенности), что будет обнаружено легитимными
абонентами связи путем измерения состояния полученных фотонов.
В проводимых экспериментах расстояние между абонентами
достигает 30км (определяется поглощением фотонов или искажением его квантового
состояния – поляризации, фазы), что свидетельствует о реальной возможности
внедрения на сетях доступа уже сегодня. Применение на транспортных сетях
потребует для увеличения протяженности квантового канала связи использования
квантовых повторителей (аналоги оптических усилителей для традиционных ВОСП).
Сегодня практически разработаны протоколы работы квантовых повторителей и
способы их физической реализации.
В ближайшее время на мировом рынке ожидается появление
нового поколения дисплеев – на нанотрубках, NED (Nano Emissive Display)
дисплеи, и на базе органических светодиодов, OLED.
Использование нанотрубок позволит создать плоские
панельные дисплеи, имеющие длительный срок службы, обеспечивающие высокое
качество и при этом значительно более дешевые современных плазменных и
жидкокристаллических.
Сегодня большое внимание уделяется, также, созданию
экранов на основе автоэлектронной эмиссии из катода. Такие экраны представляют
собой матрицы сверхминиатюрных микровакуумных источников света, подобных
электронно-лучевым трубкам, при изготовлении которых используются методы
нанотехнологии и цифровой обработки световым сигналом. Изготовлен и уже
демонстрировался такой цветной дисплей толщиной 3мм, имеющий яркость
300кд/кв.м, достаточно высокие однородность свечения и разрешение.
В заключении следует отметить, что это далеко неполный
перечень практического использования и перспектив применения нанотехнологий в
развитии инфокоммуникаций. Волоконная оптика переживает второе рождение за счет
интеграции с различными наноструктурами. Такой симбиоз приводит к совершенно
новым, подчас неожиданным, областям применения. Вне всякого сомнения, что в
ближайшее время мы будем свидетелями широкого проникновения устройств,
основанных на оптических волокнах, в различные области индустрии от
телекоммуникаций до медицины. По мнению ученых наблюдаемый быстрый прогресс
нанотехники и нанотехнологий приведет в ближайшее 10-15 лет к фундаментальным и
качественным изменениям во многих отраслях науки, техники и производства.
Список литературы.
1.
Р.Фейнман. Там внизу
полно места // Химия и жизнь, 2002, №12
2.
Ж.И.Алферов.
Нанотехнологии: перспективы развития в России //Аналитический сборник по
материалам круглого стола «Проблемы законодательного регулирования и
государственной политики по развитию нанотехнологий в Российской Федерации, М.,
2005г.
3.
Нанотехника, март, 2007,
№ 1 (9).
4.
О.Е.Наний, Е.Г.Павлова.
Фотонно-кристаллические волокна //LIGHTWAVE RUSSIAN
EDITION, 2004, № 3.
5.
А.М.Желтиков. Развитие
технологии фотонно-кристаллических светодиодов в России // Нанообзоры, МГУ,
2007, т.2, № 1-2, www.NANORF.RU
6.
К.Л.Валиев, А.А.
Орликовский.О проблеме создания квантовых компьютеров и квантовой связи
(криптографии) как составной части программы по нанотехнологиям //Аналитический
сборник по материалам круглого стола
«Проблемы законодательного регулирования и государственной политики по
развитию нанотехнологий в Российской Федерации, М., 2005г.
7.
Нанотехника, июнь, 2005,
№3.
8.
У.Б.Алексеев. Эволяция
транспортных технологий при миграции сетей связи к NGN// Тезисы докладов Московской отраслевой
научно-технической конференции «Технологии информационного общества», М.,
2007г.