Optický přepínač může přepnout světlo mezi čipy extrémně rychle

Výzkumníci z Národního institutu standardů a technologie (NIST) vyvinuli optický přepínač, který je schopen přepnout světlo mezi počítačovými čipy během 20 miliardtin sekundy. Nové zařízení je rychlejší než jakékoli podobné zařízení a může být integrováno do nízkonákladových křemíkových čipů díky svým nízkým napětím. Když přepíná světlo, čip trpí velmi nízkými ztrátami signálu.

Potenciální aplikace

Nový čip bude mít velké důsledky pro výpočetní techniku a pomůže vyvinout počítač, který zpracovává informace pomocí světla místo elektřiny. Existuje několik výhod používání fotonů pro transport dat, včetně rychlejšího cestování a energetické efektivity. Používáním elektřiny se počítačové komponenty zahřívají, což plýtvá energií a omezuje výkon počítače.

Nově vyvinutý přepínač používá nanometrickou zlatou a křemíkovou optickou, elektrickou a mechanickou komponentu. Tyto jsou všechny hustě zabalené a posílají světlo do a ven z kanálu. To ovlivňuje jeho rychlost a směr cestování.

Zařízení bylo popsáno mezinárodním týmem vedeným NIST v Science.

Podle spoluautora Christiana Haffnera z NIST, ETH Curych a Univerzity Marylandu má přepínač mnoho potenciálních aplikací. Může být použit v autonomních vozidlech pro přepínání světelných paprsků, které skenují vozovku, aby měřily vzdálenost k ostatním vozidlům a chodcům. Přepínač může být také použit v neuronových sítích, využívajících více výkonných světelných obvodů místo těch, které jsou založeny na elektřině.

Jednou z hlavních výhod nového přepínače je, že používá velmi málo energie pro přepínání světelných signálů, což může být extrémně důležité pro kvantové výpočty. Kvantový počítač má křehký vztah mezi páry subatomárních částic, které zpracovávají data. Kvůli jejich křehké povaze musí počítač fungovat při extrémně nízkých teplotách a nízkém výkonu, aby nedošlo k rušení párů částic. Nově vyvinutý přepínač vyžaduje mnohem méně energie, což by mohlo být důležité pro kvantové výpočty.

Vyvracení dlouho držených vír

Podle Haffnera a jeho kolegů Vladimira Akysuka a Henriho Lezeca z NIST nové výsledky vyvracejí mnoho dlouho držených vír ve vědecké komunitě. Mnozí výzkumníci věří, že tyto typy přepínačů by nebyly praktické kvůli jejich objemné velikosti a vysoké napětí, které by způsobovalo pomalý výkon.

Nastavení zahrnuje trubkovitý kanál nazývaný vlnovod, a světelný paprsek cestuje uvnitř něj. Existuje odbočka, kde část světla opouští kanál a vstupuje do dutiny, která je několik nanometrů daleko.

Přepínač také využívá tenkou zlatou membránu, která je zavěšena několik desítek nanometrů nad křemíkovým diskem, který má vyřezanou dutinu. Když světlo cestuje kolem, část z něj uniká a zasahuje membránu. Toto působení indukuje skupiny elektronů, které jsou na povrchu membrány, aby kmitaly. Tyto kmitání se nazývají plazmony a jsou směsí světelné vlny a elektronové vlny. Kmitající elektrony mají kratší vlnovou délku, což umožňuje výzkumníkům manipulovat s plazmony na nanometrických vzdálenostech. To vše pomáhá optickému přepínači zůstat extrémně kompaktním.

Pokud výzkumníci změní mezera mezi křemíkovým diskem a zlatou membránou o několik nanometrů, fáze hybridní světelné vlny je zpožděna nebo urychlena. Když fáze vlny opět spojí se světlem cestujícím v trubkovitém kanálu, dvě paprsky způsobují, že se světlo buď zastaví nebo pokračuje ve svém původním směru. To umožňuje světlu být přeneseno do libovolných počítačových čipů podle potřeby.

Další kroky týmu zahrnují zkrácení vzdálenosti mezi křemíkovým diskem a zlatou membránou, aby se zařízení zmenšilo. To by pomohlo dále snížit ztráty signálu, čímž by se přepínač stal ještě užitečnější pro různé průmysly.