Оптические процессоры

Фотонные кристаллы в режиме прохождения используются для создания суперпризм с крайне высоким разрешением по частоте. Этот эффект обусловлен сильной пространственной дисперсией в фотонных кристаллах, которая не наблюдается в обычных материалах в оптическом диапазоне.

Кроме фотонных кристаллов среди метаматериалов следует отметить «среды Веселаго» [68,69], также называемые «среды левши», являющиеся изотропными средами с отрицательной диэлектрической и магнитной проницаемостями. Это достаточно курьезные материалы с крайне экзотическими свойствами. Волны в таких средах обратные - у них волновой вектор и вектор Пойнтинга направлены в разные стороны. Более того при рефракции на поверхности между воздухом и такой средой наблюдается эффект отрицательной рефракции - свет откланяется в противоположную сторону в отличие от обычных диэлектриков.

Благодаря эффекту отрицательной рефракции удается создать псевдо-линзу на основе плоскопараллельной пластины среды Веселаго: устройство позволяющее фокусировать излучение точечного источника. Однако, это не самое главное свойство такой линзы. На самом деле, эта линза не только фокусирует распространяющиеся гармоники (дальнее поле), но еще и усиливает затухающие! Плоские псевдо-линзы позволяют передавать детали изображений, много меньшие, чем длина волны, и, тем самым, позволяют преодолеть классический дифракционный предел разрешения обыкновенных линз. Это удивительное свойство, открытое Джоном Пендри [69] послужило толчком к исследованию метаматериалов и сред Веселаго в частности.

На данный момент конкретные реализации сред Веселаго в оптическом диапазоне находятся в стадии разработки (в микроволновом диапазоне первые экземпляры сред Веселаго были созданы около пяти лет назад), однако это направление рассматривается крайне перспективным. Возможность передачи изображений с разрешением меньше длины волны является серьезным прорывом в различных областях знаний. Для оптических приложений наиболее важными областями применения являются ближнепольная микроскопия, а также разработка оптических накопителей. Кроме того, предполагается, что метаматериалы найдут применение при миниатюризации различных оптических и микроволновых устройств, где будет использоваться их свойство передавать на расстояние изображения с пространственным разрешением, меньшим длины волны. Они снимут дифракционное ограничение для разрешения оптических систем, которое казалось долгое время непреодолимым. В качестве одного из наиболее важных примеров достаточно упомянуть возможность использования линз со сверхразрешением для увеличения емкости оптических носителей (DVD), путем уменьшения области записи, которая в данный момент ограничена дифракционным пределом.

Эффекты обратных волн и отрицательной рефракции (присущие среде Веселаго) также наблюдаются и в фотонных кристаллах, на частотах близких к границам запрещенных зон [70-76]. Более того, плоско-параллельные пластины фотонных кристаллов могут с успехом быть использованы для передачи изображений с разрешением, меньшим, чем длина волны [77,78]. Однако, в работе [79], в фотонных кристаллах [77] наблюдается механизм передачи изображений, отличный от принципа, сформулированного в работах В.Г. Веселаго [66], Дж. Пендри [67] и Р.А. Силина [71].

В соответствии с этим принципом, который называется канализацией изображений [79], для передачи деталей изображения меньших, чем длина волны не требуется эффектов обратных волн и отрицательной рефракции. Ключевым требованием является то, что фотонный кристалл должен обладать плоскими изочастотными характеристиками [70-73], а также то, что толщина пластины должна удовлетворять условию толщинного резонанса Фабри-Перо. В такой системе изображение эффективно трансформируется в распространяющиеся плоские волны, которые переносят его с одной поверхности линзы на другую. Таким образом, для реализации плоских псевдо-линз, обладающих разрешением меньшим, чем длина волны, не обязательно пытаться создавать среды Веселаго [68,69].

В оптическом диапазоне хорошими кандидатами для реализации режима канализации остаются фотонные кристаллы, но для улучшения разрешения линз лучше использовать металло-фотонные кристаллы, отличающиеся от обычных диэлектрических фотонных кристаллов тем, что их элементами являются металлические включения (плазмонные наночастицы). Метало-фотонные кристаллы в оптической области обладают запрещенными зонами, появление которых соответствует плазмон-поляритонным резонансам, наблюдаемым на частотах много меньших, чем решеточные резонансы обычных фотонных кристаллов. Это резонансы металлических включений, образующих фотонных кристалл.

В режиме канализации фотонные кристаллы поддерживают распространение узких пучков, аналогичных солитонам в нелинейных средах. Следует отметить, что фотонные кристаллы функционируют в линейном режиме, т.е. интенсивность канализуемого пучка может быть сколь угодно малой (в отличие от случая солитонов, которые должны обладать значительной интенсивностью для поддержания своего распространения в нелинейной среде).

В ближайшем будущем ожидается экспериментальное осуществление канализации субволновых изображений на оптических частотах на расстояния порядка длины волны и более от источника, а также разработка сканирующих ближнепольных оптических микроскопов, зонд которых защищен от микромеханических воздействий со стороны исследуемой поверхности фотонным кристаллом, функционирующем в режиме канализации изображений.

Заключение

В данном обзоре рассмотрены основы аналоговых оптических вычислений, аналоговые оптические процессоры и цифровые оптические процессоры, оптические процессоры нечеткой логики, а также перспективные материалы и технологии для создания элементной базы будущих оптических компьютеров. Показано, что именно оптические технологии с привлечением достижений нанофотоники представляются наиболее перспективными для создания компьютерных систем следующего поколения.

Размещено на Allbest.ru