Uczeni z Politechniki Wrocławskiej stoją jedną nogą w nowej erze
- erze komputerów optycznych.

Piotr Kieraciński

Dr hab. Andrzej Miniewicz, prof. PWr. w laboratorium

W 1920 r. polski fizyk Mieczysław Wolfke rozważał możliwość wykorzystania zjawiska interferencji do zapisywania informacji. Holografię odkryto w 1948 r. Jej nowoczesne zasady opracowano dopiero po odkryciu lasera, a w 1971 Dennis Gabor - twórca holografii - otrzymał Nagrodę Nobla.

Holografia polega na trójwymiarowym zapisie obrazu przedmiotu. Jest jakby doskonalszą wersją fotografii. O ile tradycyjna fotografia zapisuje jedynie modulację amplitudy, to holografia odnotowuje także zmiany fazy fali świetlnej. Dzięki temu możemy o fotografowanym przedmiocie uzyskać znacznie więcej informacji. Już od dawna umiemy zapisywać trójwymiarowe obrazy w kryształach fotorefrakcyjnych. W jednym centymetrze sześciennym kryształu niobanu litu można zapisać wiele tysięcy obrazów, a następnie odtworzyć je przy pomocy światła laserowego. Koherentne światło, niespotykane w naturze, jest podstawą nowoczesnej holografii. Oświetlenie jednego medium, w którym można zmienić współczynnik załamania światła dwoma wiązkami, jedną odbitą od przedmiotu, a drugą, która służy jako punkt odniesienia, powoduje ich zmieszanie i powstanie prążków interferencyjnych. W ten sposób otrzymujemy hologram, który można odtworzyć przy pomocy jednej wiązki światła spójnego.

NIE TRZASKAĆ DRZWIAMI

Apetyt rośnie w miarę jedzenia. Naukowcy dążą dziś do tego, aby te obrazy można było po zapisaniu wymazać, zapisać powtórnie, powtarzać te procesy wielokrotnie i bardzo szybko. Wchodzimy w erę holografii dynamicznej. Zamiast obrazów można zapisywać sygnały cyfrowe. Chodzi też o to, aby obserwowanie hologramu możliwe było w czasie rzeczywistym, czyli w mikrosekundach lub jeszcze krótszych jednostkach czasu. Rozwój holografii uwarunkowany jest przede wszystkim tworzeniem nowoczesnych materiałów służących do zapisu hologramów.

Jedną z placówek, która tworzy nowe materiały fotorefrakcyjne jest Zakład Fizyki i Chemii Materiałów Molekularnych Politechniki Wrocławskiej, kierowany przez dr hab. Andrzeja Miniewicza, prof. PWr. Gdy opieram się o stół na którym stoi aparatura do badań, dr Stanisław Bartkiewicz łapie mnie za rękę. Tu wszystko musi być absolutnie nieruchome. Stół umieszczony jest na specjalnych amortyzatorach, które niwelują drgania z otoczenia. I tak pierwsi wiemy, że ktoś wchodzi do budynku - mówi prof. Miniewicz. Trzaśnięcie drzwiami w budynku widoczne jest na ekranie w postaci drgającego obrazu wiązki światła laserowego. Aparatura, którą wykorzystuje zespół Miniewicza - zarówno stół, jak i stojące na nim przyrządy, w tym laser jagowy niedużej mocy - jest darem Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, która doceniła rangę prowadzonych tu badań.

HYBRYDY

Naukowcy z PWr. kontynuują badania Wojskowej Akademii Technicznej. Nie przypadkiem tam się one w naszym kraju zaczęły - holografia ma ogromne znaczenie w technice wojskowej, m.in. w systemach śledzenia. Zapis w materiale fotorefrakcyjnym polega na reorientacji molekularnej długich osi kryształów przy pomocy wiązki światła laserowego. Właściwości kryształu zostają przetworzone. Nowe materiały, tworzone na użytek holografii dynamicznej w czasie rzeczywistym muszą się charakteryzować możliwością wielokrotnej reorientacji swych osi molekularnych oraz szybkością dokonywania tych zmian.

Zespół prof. Miniewicza tworzy nową generację materiałów fotorefrakcyjnych, tzw. układy hybrydowe. Ich podstawę stanowią ciekłe kryształy. Są one jednak modyfikowane przez domieszkę innych materiałów, np. antrachinonu - barwnika, który absorbuje światło o długości fali 500-700 nanometrów. Normalnie widzielibyśmy go jako niebieski. Domieszki nie widać jednak gołym okiem w gotowym materiale fotorefrakcyjnym, barwnik stanowi bowiem zaledwie 0,4 proc. wagowych materiału. Już tak mały udział barwnika powoduje, że pochłania on część promieniowania światła, przez co zmienia się struktura elektronowa materiału i w stanie wzbudzenia generuje on ładunek: elektron i jon. Jony są w polu elektrycznym rozseparowywane. Przepływ prądu obniża pole elektryczne działające na molekuły ciekłego kryształu, a to powoduje ich lokalne przeorientowanie. Tworzy się skomplikowany obraz przeorientowania molekuł ciekłego kryształu, co przekłada się na zmianę modulacji współczynnika załamania światła. Dodanie barwnika sprawia, że stopień uporządkowania i stabilność chemiczna ciekłego kryształu są gorsze.

W pracowni prof. Miniewicza niektóre materiały wykorzystywane są co prawda z powodzeniem już od trzech lat. Z czasem jednak może dojść do degeneracji materiału. Obecnie pracuje się więc nad materiałami, które wolne są od tej wady. Zmodyfikowane polimery to w zasadzie te same ciekłe kryształy, ale medium generującym ładunek elektryczny są polimerowe ścianki boczne komórki ciekłokrystalicznej. W praktyce jest to umieszczona między dwoma szklanymi płytkami warstwa ciekłego kryształu grubości 10 mikronów, otoczona błoną polimerową grubości 100 nanometrów. W wypadku tego typu materiału rozseparowane zostają funkcje: fotoprzewodnictwo i rozkład przestrzenny pola elektrycznego należy do błony polimerowej, a wzmacnianie pola elektrycznego i zamiana tego pola na zmiany współczynnika załamania światła - do ciekłego kryształu.

JEDNĄ NOGĄ

Osiągnięciem zespołu kierowanego przez prof. Miniewicza jest konstrukcja przestrzennego modulatora ciekłokrystalicznego dla holografii w czasie rzeczywistym. Pozwala on m.in. na wykonanie funkcji skojarzeniowego rozpoznawania obrazów. Urządzenie to podczas The London International Inventional Fair w listopadzie 1997 r. otrzymało "Golden Key" Award. Prof. Miniewicz z dr Bartkiewiczem prezentują działanie urządzenia, które rozróżnia podane z komputera kształty. Porównywanie obrazów działa na zasadzie połączeń neuronowych. Nikt nie wie, jakie to są połączenia, jaki wzór interferencyjny wytwarza się w materiale, ale można dokładnie przewidzieć rezultaty operacji. Zjawiska zachodzące w materiale fotorefrakcyjnym można opisać językiem pamięci neuronowych. O ile w układach elektronicznych tworzy się pewne algorytmy, odpowiadające za określone działania, to my tworzymy takie procedury przez zestawienie odpowiednich układów optycznych - mówi dr Bartkiewicz. Taki układ może pracować jako korelator optyczny. Jego sercem jest kostka materiału fotorefrakcyjnego - swoisty procesor optyczny. Uczeni z PWr. stoją jedną nogą w nowej erze - erze komputerów optycznych.

FOTONY I ELEKTRONY

W tradycyjnych komputerach elektronicznych nośnikiem informacji są elektrony. Poruszają się one ze stosunkowo niewielką prędkością kilku kilometrów na sekundę. Tymczasem w procesorach optycznych nośnikami informacji są fotony, które poruszają się z najwyższą znaną nam prędkością 300 tys. km na sekundę (prędkość światła). Kolejna przewaga komputera optycznego wynika z odmiennego sposobu przetwarzania informacji. W komputerach, których używamy na co dzień sygnały są odbierane i przetwarzane szeregowo, jeden po drugim. W komputerach optycznych wszystkie sygnały wchodzą do pamięci operacyjnej (układu optycznego) równocześnie. Jest to określane mianem logiki równoległej. Ten sposób przetwarzania sygnałów także zasadniczo wpływa na szybkość wykonywania operacji.

O ile w tradycyjnych komputerach obróbka większej liczby danych - np. porównanie bardziej skomplikowanych kształtów - zajmuje więcej czasu i niesie większe ryzyko błędu, o tyle w korelatorze optycznym lepsze rezultaty osiągamy porównując bardziej złożone obiekty. Im więcej cech ma do dyspozycji procesor optyczny, tym efektywniej pracuje.

Korelator optyczny może znaleźć wiele zastosowań, m.in. w kontroli jakości produkcji układów scalonych. Obecnie jakość kontrolują ludzie, którzy ręcznie wybijają układy wadliwe (robią to lepiej niż obecnie istniejące komputery elektroniczne). Korelator optyczny bez trudu może wychwycić wśród przemieszczających się na taśmie wyrobów te, które odbiegają od wzorca zakodowanego w pamięci materiału fotorefrakcyjnego. Przy jego pomocy można także w czasie rzeczywistym obserwować ruchy czołgów czy samolotów, w tym odróżnić samoloty własne od samolotów wroga. Może także być wykorzystywany w kryminalistyce, a najbardziej znane zastosowanie to porównywanie linii papilarnych.

JAK W LUSTRZE

W materiałach fotorefrakcyjnych można zauważyć bardzo interesujące zjawisko koniugacji fazowej. Wiązka światła, która pada na lustro z koniugacją fazową, wracając odkształca się ze zmienionym znakiem czasu. Obrazowo można powiedzieć, że fala zaburzona przez jakiś obiekt po dwukrotnym przejściu przez soczewkę odzyskuje dokładnie swoją fazę, co więcej - może ona być wzmocniona tysiące razy. Istnieje teoretyczna możliwość wykorzystania lustra do spowodowania fuzji jądrowej.

Na razie rysuje się realna perspektywa zastosowania lustra z koniugacją fazową w telekomunikacji. Pierwszym elementem technologii optycznej w tej dziedzinie były światłowody. Bardzo szybka technologia optyczna jest tam połączona z bardzo wolną elektroniczną - zauważa prof. Miniewicz. Przekazywanie informacji w nośniku światła odbywa się metodą binarną. Obecnie przesłanie jednego obrazu za pomocą światłowodu wymaga wpuszczenia do niego miliardów bitów zero-jedynkowych. Na dłuższych odcinkach takie sygnały są zakłócane i zniekształcane. Muszą być wielokrotnie wzmacniane po drodze. Można jednak wykorzystać nowy element technologii optycznej, lustro z koniugacją fazową - są już prototypowe instalacje tego typu - i przesyłać jednocześnie całe obrazy. Przesyłane sygnały optyczne można wzmacniać metodą optyczną, przez tzw. pompowanie wiązką światła, co eliminuje konieczność stosowania skomplikowanych wzmacniaczy elektronicznych. Powoduje to wzrost przepustowości istniejących łączy światłowodowych 106 razy i może stać się przyczynkiem do rewolucji w telekomunikacji.

Bardzo interesujące zastosowanie znajduje lustro z koniugacją fazową w urządzeniach do śledzenia. Dzięki niemu z pokładu satelity poruszającego się na wysokości 200 km ponad powierzchnią Ziemi można zobaczyć, co czyta marynarz na pokładzie lotniskowca. Normalna optyka nie pozwala na to, gdyż fale świetlne są zakłócane przez ruchy powietrza i zniekształcane. Lustro nie tylko eliminuje zakłócenia, ale dodatkowo wzmacnia sygnał.

NOWA GENERACJA

Materiały i urządzenia budowane z myślą o fotonice i holografii w czasie rzeczywistym mogą stanowić podstawę nowej technologii. Budując nowe materiały fotorefrakcyjne zmierzamy do stworzenia optycznego procesora - mówi prof. Miniewicz. To, co tworzymy trudno jednak uznać za gotowy procesor optyczny - zastrzega dr Bartkiewicz. Na świecie działają już prototypowe komputery optyczne, a właściwie optoelektroniczne. Nowe technologie testuje m.in. IBM w swoim laboratorium w San Jos? w słynnej Dolinie Krzemowej. Komputer optyczny działa też w University of Arizona w Phoenix. Działają one na dobrze znanych kryształach fotorefrakcyjnych, takich jak nioban litu czy tytanian strontu. Zupełnie inaczej poradzono sobie ze światłem w University of Pensylvannia. Jako materiał fotorefrakcyjny wykorzystano tam bakteriorodopsynę. Jest to naturalny barwnik występujący w roślinach żyjących w bardzo zasolonych morzach. Poprzez absorbcję fotonów potrafi zmienić on swoją konfigurację i przez membranę przepompować foton. Działa więc bardzo podobnie do ciekłego kryształu.

Era komputerów nowej generacji zbliża się nieubłaganie. Dr Bartkiewicz nie radzi jednak zbyt pochopnie pozbywać się starych elektronicznych komputerów. Co prawda logika działania komputera optycznego jest zupełnie inna niż komputera elektronicznego, jednak pierwsze urządzenia tego rodzaju z pewnością nie zrezygnują z technologii elektronicznej. Perspektywa stworzenia komputera osobistego nowej generacji to kilkanaście lat - ocenia prof. Miniewicz. Jest ona realna w związku z produkcją diod laserujących (takie diody wykorzystywane są jako źródło światła laserowego w odtwarzaczach płyt kompaktowych i czytnikach CD-ROM) o większej mocy, lepszej jakości wiązki i dłuższej drodze koherencji. Tak więc światło laserowe wciąż dostarczać będzie elektronika, a elementy optyczne zapewnią większą pamięć i szybkość operacji.

Możliwości stojące przed holografią wydają się olbrzymie. W CALTECH skonstruowano niedawno robota, który potrafi samodzielnie trafiać do właściwych pomieszczeń budynku. Teoretycznie każdy zakład produkujący układy scalone może bez konieczności większych inwestycji rozpocząć produkcję procesorów optycznych. Jednak wprowadzenie nowej technologii na rynek wymaga ogromnych pieniędzy. Wrocławscy naukowcy nie sądzą, aby swe naukowe osiągnięcia mogli zamienić na sukcesy rynkowe.

Uwagi.