Calculatoare Optice - Proiect Opel

Introducere

În componentele calculatoarelor moderne, electronii călătoresc între tranzistori prin fire sau urme metalice pentru a transmite, stoca sau procesa informaţii. Informaţia propriu-zisă este reprezentată de 2 nivele de tensiune diferite, traduse în limbajul matematic sub forma de 0 sau 1. Nivelul de tensiune trebuie menţinut pe durata unui interval de ceas pentru a putea fi interpretat de componentele calculatorului drept un bit de informaţie. Din acest motiv calculatoarele poartă, de fapt, denumirea de computere electronice. Calculatoarele optice ale viitorului vor folosii în schimb fotoni care vor călători prin fibra optică sau “thin film” (pelicula subţire) pentru a efectua aceste operaţii.

Computerele ce funcţionează în întregime pe baza fotonilor (pur optice), şi având performanţe similare celor electronice actuale, sunt deocamdată irealizabile. Rămân o problemă de rezolvat pentru viitor.

În prezent cercetătorii se concentrează pe dezvoltarea de computere hibride (optoelectronice) combinând tehnologiile electronice şi optice. Primele realizări în domeniu au fost posibile în anul 1978, când cercetătorii au descoperit că fotonii pot interacţiona cu electronii în anumite substanţe (medii) cum ar fi niobatul de litiu (LiNbO¬¬3).

Un calculator optic (denumit si calculator fotonic) este un echipament ce foloseşte raze de lumină (laser) vizibilă sau infraroşu, în loc de curent electric pentru a efectua operaţiile digitale de transmitere, stocare sau procesare.

Transmiterea datelor în computerele optice

Primul avantaj care se reliefează, comparând tehnologiile electronică şi optică, este viteza de transmisie a datelor mai mare in cazul tehnologiei optice.

Lumina poate interacţiona cu elemente electronice fotosensibile şi fotogeneratoare. Din acest motiv transmiterea datelor sub formă optică a fost pus la punct în ultimii ani, iar fibra optică reprezintă o tehnologie intens folosită.

Curentul electric se deplasează cu doar 10% din viteza luminii. Acest fapt limitează rata la care se poate face transferul de date reprezentând un dezavantaj pe distanţe mari, si este unul din motivele care a dus la apariţia şi dezvoltarea tehnologiei fibrei optice.

Liniile de fibră optică sunt fire de sticlă pură, subţiri cât un fir de păr care transportă informaţie digitală pe distanţe foarte lungi. Firul de sticlă (miezul fibrei) este izolat cu un strat care reflectă perfect raza de lumină purtătoare de informaţie. În acest fel fibra poate transmite raza luminoasă chiar pe porţiuni curbate şi pierzând foarte puţin din intensitatea luminii pe distanţe mari.

Aplicând unele dintre avantajele reţelelor de fibră optică în componentele echipamentului (computerului), acesta ar putea să ajungă să efectueze operaţii de zece ori mai repede decât un calculator electronic convenţional. Conversiile din format electronic în optic şi invers au loc cu pierderi de energie. Din acest motiv se doreşte ca toate componentele unui calculator (magistrale, memorii, procesoare) să funcţioneze exclusiv pe baza de impulsuri luminoase, fără a fi nevoie de conversii.

Razele de lumina (în spectrul vizibil sau infraroşu), spre deosebire de traiectoriile electronilor, se intersectează fără a interacţiona (fără să schimbe proprietăţile razei de lumină: lungimea de undă, direcţia razei, intensitatea, etc.). Mai multe raze laser se pot intersecta fără să interfereze, adică fără să piardă sau să altereze informaţia transmisă. În schimb curenţii electrici trebuie ghidaţi astfel încât traiectoriile lor să nu se intersecteze ceea ce face necesară proiectarea tridimensională a circuitelor electronice. Astfel, un calculator optic, pe lângă faptul că este mult mai rapid decât unul electronic, ar putea fi şi mai mic, şi mai uşor de proiectat.

În proiectarea circuitelor electronice nu este permisă intersectarea traseelor imprimate conductoare. În comunicaţiile optice razele laser se pot intersecta în mediile transparente fără să interfereze.

Calculatoarele optice vor fi într-o zi comune, cel puţin aşa sunt de părere unii ingineri, dar majoritatea sunt de acord că tranziţia va avea loc treptat în anumite domenii specializate. Au fost deja realizate câteva circuite integrate optice. Cel puţin un calculator complet (destul de mare) folosind circuite hibride opto-electronice a fost construit în cadrul Universităţii din Colorado. Unele dispozitive în acest computer sunt controlate cu ajutorul curenţilor electrici, informaţiile sunt stocate în unităţi de memorare optico-electronice, iar impulsurile care transportă date sunt unde vizibile sau infraroşii.

Stocarea datelor în format optic

Un pas important spre un computer complet optic a fost făcut în 1999 prin dezvoltarea unui prototip de cip de memorie optică. Înainte se credea că lumina nu poate fi reţinută atât de mult timp încât să stocheze informaţii. Achim Wixforth împreună cu colegii de la Universitatea Tehnică din München şi Universitatea Lugwig-Maximilians din München au demonstrat ca fotonii pot fi stocaţi prin conversia lor în perechi electron-gol în semiconductoare. Perechile electron-gol se află într-o groapă cuantică de potenţial. Pentru a citi informaţiile, electronii şi golurile se recombină producând fotoni. Perechile sunt create prin iluminarea unui semiconductor cu o rază laser. O foarte mică diferenţă de tensiune în semiconductor ţine separat electronii de goluri pe nivele diferite de energie în groapa de potenţial. Când tensiunea este oprită, perechea electron-gol se recombină sub atracţie Coulomb, producând un foton. Astfel au reuşit să stocheze fotoni pentru 35 de microsecunde, de 5 ori mai mult timp decât durata de viaţă naturală a fotonilor, şi suficient de mult pentru ca un astfel de cip de memorie să funcţioneze. În acest echipament informaţia ce se transmite optic este stocată în formă electronică.