В основе современных телекоммуникационных сетей лежат преимущественно волоконно-оптические кабели. Суммарная протяженность уже проложенных кабелей на сегодняшний день превышает миллиард километров, и эта цифра стремительно растет из месяца в месяц. Именно такие кабели и обеспечивают высокоскоростную транспортировку по всему миру информационных пакетов в форме световых импульсов. До сих пор волоконно-оптические кабели были сугубо пассивными элементами, образуя что-то вроде трубопровода, по которому проносятся пакеты данных. Теперь британские ученые намерены  кардинально изменить эту концепцию.

Пьер Сацио (Pier Sazio), научный сотрудник Исследовательского центра оптоэлектроники при Саутгемптонском университете, раскрывает суть исследования: "Пока оптическое волокно служило лишь в качестве световода, для транспортировки фотонов. В статье, опубликованной в научном журнале Nature Photonics, мы предлагаем сделать следующий шаг - превратить оптическое волокно из пассивного элемента в активный". Используя новые технологии, ученые намерены придать волоконно-оптическим кабелям новые функции, например, способность воспринимать информацию, закодированную в световых импульсах.

Оптоэлектронные преобразователи тормозят сигнал

Сегодня демодуляцию, синхронизацию и обработку данных в волоконно-оптической сети осуществляют расположенные в ее узлах особые устройства - оптоэлектронные микросхемы. Проблема в том, что именно эти устройства-преобразователи являются узким местом на высокоскоростных оптических линиях передачи данных, тормозом на пути информационных пакетов. Ведь обработка и распределение информации происходит не в оптическом, а в электрическом виде, поэтому поступающие световые импульсы приходится сначала преобразовывать в электрические сигналы, а затем, прежде чем отправить их дальше, снова трансформировать в световые импульсы.

Естественно, на эти процессы уходит немало драгоценного времени. Британские исследователи решили попытаться интегрировать в волоконно-оптические кабели те функции, которые пока выполняют оптоэлектронные микросхемы. Это позволило бы световым импульсам не покидать световод на всем протяжении своего пути от пункта отправления до пункта назначения.

Волоконно-оптический кабель с капиллярами

Конечная цель ученых - создание чисто оптической телекоммуникационной сети. Вместе с американским химиком Джоном Баддингом (John Badding), профессором университета штата Пенсильвания, Пьеру Сацио удалось получить такое оптоэлектронное волокно.

"Обычный волоконно-оптический кабель состоит из прозрачной сердцевины и окружающей ее оболочки, тоже прозрачной. Но показатель преломления сердцевины чуть-чуть выше показателя преломления оболочки. И этим обеспечивается полное внутреннее отражение светового импульса. Мы в нашем центре в Саутгемптоне работаем над созданием волокон с совершенно иной структурой. У них сердцевина состоит из множества наполненных воздухом полых трубочек-капилляров, что придает им особые оптические свойства. А если нанести изнутри на стенки этих капилляров тончайшее покрытие из полупроводникового материала, то они обретут еще и особые электронные свойства", - говорит Пьер Сацио.

Британские исследователи прокачивали сквозь капилляры под высоким давлением газы, содержащие соединения кремния, германия, бора и платины. Все эти соединения широко применяются сегодня в производстве полупроводниковых микросхем.

Дешевая и перспективная технология

Но если там оседание тончайших полупроводниковых пленок происходит на плоскую кремниевую пластину, то здесь пленка формируется на внутренних стенках капилляров оптического волокна. Пьер Сацио поясняет: "Нам не нужны монокристаллические подложки, не нужна фотолитография и прочие дорогие технологии, требующие высокочистых помещений. Мы все это делаем непосредственно внутри световода".

В результате в оптическом волокне образуются транзисторы и фотодиоды, способные конкурировать с электроникой на базе микропроцессоров. Это открывает перспективу создания световодов, которые могли бы, так сказать, "на лету" преобразовывать оптические импульсы в электрические сигналы и считывать их. "Простые полупроводниковые элементы, которые нам удалось создать, демонстрируют огромный потенциал этой технологии, - убежден Пьер Сацио. - Наш метод позволяет интегрировать в волоконно-оптические кабели высокоточные электронные компоненты, в принципе, любой сложности. Над этим мы сегодня и работаем: пытаемся создать преобразователи, способные осуществлять обработку светового сигнала в полном объеме, выполнять весь набор стандартных операций".

Пока, правда, все это относится к категории фундаментальных исследований. Но оптоэлектроника развивается сегодня поистине стремительными темпами, так что очень скоро дело может дойти и до прикладных проектов.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Татьяна Вайнман