Идея фотонной решетки была предложена еще в 1987 году Эли Яблоновичем, работающим сейчас профессором в Калифорнийском университете. Первый фотонный кристалл размером с бейсбольный мяч был создан в 1990 году, он управлял микроволновым излучением. Тогда же был создан кристалл размером уже с шарик для пинг-понга (в университете штата Айова), он тоже работал в микроволновом диапазоне. Первые кристаллы-решетки собирались вручную из обычных металлических иголок. В том же направлении работала и группа Иоаннопулоса в Массачусетсском технологическом институте.

Главное достижение лаборатории Sandia – технологический прорыв в область нанометровых трехмерных структур. Об открытии было объявлено 16 июля 1998 года, оно запатентовано, есть уже предложения от крупных промышленников, готовых организовать коммерческое производство. Современные решетки, созданные там Шоном Лин и Джимом Флеммингом, успешно работают в инфракрасном диапазоне (длины волн около десяти микрон). Мало того, исследователи не останавливаются на достигнутом и изготавливают решетку для полуторамикронных длин волн – именно в этом диапазоне сегодня передается информация по волоконно-оптическим кабелям. «У меня нет сомнений в том, что группа Лина добьется успеха еще в этом году», – говорит профессор Вильнев из Массачусетсского технологического института.

Такая уверенность основана на том, что в лаборатории Sandia очень развита технология изготовления микроструктур из кремния, похожая на ту, что обычно используют при производстве компьютерных чипов. Многослойная кремниевая «вафля» покрывается двуокисью кремния, затем в нем процарапываются канавки, которые заполняются полисиликоном. Слой полируется, и на него накладывается следующий с полосками в перпендикулярном первым направлении. После построения десятка или более слоев двуокись кремния вытравляется при помощи кислоты, и остается объемная решетка из полисиликоновых полосок толщиной 1,2 микрона и высотой 1,5 микрона с расстоянием между ними в 4,8 микрон. На шестидюймовом чипе можно разместить десяток тысяч таких решеток.

Подобное достижение означает революционный прорыв в создании оптического компьютера, мечты о котором давно будоражат умы изобретателей. Одним из главных препятствий на пути его создания была невозможность изгибать траектории лучей света на большие углы на малых расстояниях. Ведь если заменить провода в современных чипах световодами, то в устройстве размером со спичечный коробок световоды придется изгибать миллионы раз.

Первое применение фотонного кристалла – создание световсдуших каналов. Современные свстовсдущис каналы на основе оптического волокна не могут иметь крутых изгибов из-за недопустимого увеличения потерь, вызванного нарушением полного внутреннего отражения в них. Световедущие каналы в фотонном кристалле основаны на другом принципе: практически идеальное отражение света под любым углом от стенок световедущего канала обеспечивается наличием «запрещенной зоны» для световой волны передаваемой частоты, препятствующей проникновению света в глубь фотонного кристалла.

Второе применение – это спектральное разделение каналов. Во многих случаях по оптическому волокну идет не один, а несколько световых сигналов. Их бывает нужно рассортировать – направить каждый по отдельному пути. Например – оптический телефонный кабель, по которому идет одновременно несколько разговоров на разных длинах волн. Фотонный кристалл – идеальное средство для «высечений» из потока нужной длины волны и направления ее туда, куда требуется.

Третье – кросс для световых потоков. Такое устройство, предохраняющее от взаимного воздействия световых каналов при их физическом пересечении, совершенно необходимо при создании светового компьютера и световых компьютерных чипов.

Специалисты по волоконной оптике сразу заинтересовались фотонными кристаллами, разглядев самые разные перспективы их использования для увеличения пропускной способности сетей. Чтобы увеличить объем передаваемых по волоконным световодам данных, надо создавать как можно более короткие оптические импульсы. Это определяется временем срабатывания эмиссионых диодов. Вторая проблема – волоконные световоды прозрачны в малом диапазоне длин волн. Третья проблема – на выходе информационных каналов требуются узкочастотные оптические фильтры и высокоскоростные оптические переключатели – своеобразные интегральные оптические схемы. Для них нужно создавать миниатюрные плоскостные волноводы.

Фотонные кристаллы могут помочь решить все эти проблемы. С их помощью можно сузить диапазон длин волн излучения в полупроводниковых лазерах и эмиссионных диодах или создать оптические фильтры с высокой селективностью. Главный недостаток существующих эмиссионных диодов и полупроводниковых лазеров в том, что они испускают фотоны в большой телесный угол и в широком частотном диапазоне. На основе фотонных кристаллов можно создать зеркало, которое будет отражать определенную волну света для любого выбранного угла и направления.

Такие трехмерные зеркала были созданы в 1994 году в лаборатории Эймса (США) для СВЧ-волн. Для более коротких длин волн их разработали специалисты из Голландии и США. Эти структуры представляют собой специально уложенные кремниевые полоски – для СВЧ-волн – или специальным образом ориентированные крошечные (меньше микрона) кварцевые сферы в некотором коллоидном веществе.

Еще одна перспективная технология в волоконной оптике – скоростные солитонныс линии связи, которые отличаются от обычных высокой помехоустойчивостью и низким уровнем шумов. Солитоны – это устойчивые уединенные гребни волн, которые распространяются в среде как частицы. При взаимодействии друг с другом или с другими возмущениями они не разрушаются, а расходятся, сохраняя свою структуру неизменной. Разработка таких терабитных линий связи финансируется министерством телекоммуникаций Японии в размере около 4 млрд долларов в год. Программа была начата в 1996 году и рассчитана на десять лет. В ней принимают участие все крупнейшие японские высокотехнологичные компании. К 2006 году планируется получить готовые к эксплуатации солитонные линии протяженностью до 10 тыс. км. К сожалению, о российских разработках в этой области нам ничего неизвестно.

По материалам зарубежной печати подготовил Александр Ломоносовский.

Рафаил Нудельман

Эксперименты, о которых рассказывается в статье, дают возможность предположить, что эволюция – ради каких-то еще непонятных целей – позаботилась о дополнительных, кроме генетического, путях наследования.

Так что. возможно. Ламарк был хоть отчасти прав?

Мыши в клетке выглядели очень странно. Их окраска варьировала от ярко- желтой до пятнистой. Между тем все они принадлежали к одной генетической линии, а значит, должны были, казалось, выглядеть совершенно одинаково. Их потомство тоже вело себя странным образом. Окраска новорожденных мышат почему-то куда больше зависела от окраски матери, чем отца: у пары «желтая мать – пятнистый отец» рождалось больше желтых детей, а у пары «пятнистая мать – желтый отец» – больше пятнистых. А ведь, по генетическим законам Менделя, окраска детей в каждой такой паре должна была распределяться по законам случая, то есть желтых и пятнистых мышат должно было быть поровну. Короче, мыши Эммы Уайтлоу, биохимика из Австралийского университета в Сиднее, явно вели себя «не по правилам». Что это означало? Крах всех представлений молекулярной генетики?

Проведя тщательные исследования, Уайтлоу и ее коллеги установили, что это не так. Первая часть наблюдений – различная окраска исходных мышей – могла быть объяснена в полном согласии с молекулярно-генетическими законами. В клетках мышиных волос имеется особый ген, именуемый «agouti», который «заведует» окраской волос. Как известно, гены выдают клетке инструкции на производство определенных белков. Ген «agouti» кодирует производство белков-пигментов, создающих желтую окраску мышиной шерсти. Но, оказывается, он может работать по-разному, то есть более или менее энергично, и это зависит от приказов соседнего с ним участка ДНК, именуемого «регулятором».