Optisk switch kan omdirigere lys mellem chips ekstremt hurtigt

Forskere på National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet en optisk switch, der er i stand til at omdirigere lys mellem computerchips inden for 20 milliardtedele af et sekund. Den nye enhed er hurtigere end nogen lignende enhed, og den kunne integreres i billige siliciumchips på grund af dens lave spændinger. Når den omdirigerer lys, lider chippen meget lavt signaltab. 

Potentielle applikationer

Den nye chip vil få store konsekvenser for databehandling, og den vil hjælpe med at udvikle en computer, der behandler information ved hjælp af lys frem for elektricitet. Der er flere fordele ved at bruge fotoner til at transportere data, herunder hurtigere rejse og energieffektivitet. Ved brug af elektricitet opvarmes computerkomponenter, hvilket spilder energi, og det begrænser computerens ydeevne. 

Den nyudviklede switch bruger guld- og siliciumoptiske, elektriske og mekaniske komponenter i nanometerskala. Disse er alle tæt pakket, og de sender lys ind og ud af en kanal. Dette påvirker dens hastighed og kørselsretning. 

Enheden blev beskrevet af det NIST-ledede internationale team i Science. 

Ifølge medforfatter Christian Haffner fra NIST, ETH Zürich og University of Maryland har switchen en masse potentielle anvendelser. Det kunne bruges i førerløse køretøjer til at omdirigere lysstråler, der scanner en vejbane for at måle afstanden til andre køretøjer og fodgængere. Switchen kunne også bruges inden for neurale netværk ved at bruge mere kraftfulde lysbaserede kredsløb frem for elektricitetsbaserede. 

En af de største fordele ved den nye switch er, at den bruger meget lidt energi til at omdirigere lyssignaler, hvilket kan være ekstremt vigtigt i kvanteberegning. En kvantecomputer har et skrøbeligt forhold mellem par af subatomære partikler, som behandler data. På grund af deres skrøbelige natur skal en computer fungere ved ekstremt lave temperaturer og lav effekt, så partikelpar ikke bliver forstyrret. Da den nyudviklede switch kræver meget mindre energi, kan den vise sig at være et vigtigt aspekt af kvanteberegning. 

Udfordrende langvarige overbevisninger

Ifølge Haffner, sammen med hans kolleger Vladimir Akysuk og Henri Lezec fra NIST, modsiger de nye resultater mange langvarige overbevisninger i det videnskabelige samfund. Mange forskere mener, at disse typer kontakter ikke ville være praktiske på grund af deres omfangsrige størrelse, og de ville fungere ved høje spændinger, der forårsager langsom ydeevne. 

Opsætningen inkluderer en rørformet kanal kaldet en bølgeleder, og en lysstråle bevæger sig inde i den. Der er en frakørsel, hvor noget af lyset kommer ud i et hulrum, der er få nanometer væk. 

Switchen bruger også en tynd guldmembran, der er suspenderet et par titusvis af nanometer over en siliciumskive, som har hulrummet ætset ind i sig. Når lyset rejser rundt, siver noget af det ud og rammer membranen. Denne aktivitet inducerer grupper af elektroner, der er på membranens overflade, til at svinge. Oscillationerne kaldes plasmoner, og de er en blanding mellem en lysbølge og en elektronbølge. De oscillerende elektroner har en kortere bølgelængde, der gør det muligt for forskere at manipulere plasmonerne over afstande på nanoskala. Alt dette hjælper den optiske kontakt til at forblive ekstremt kompakt. 

Hvis forskerne ændrer afstanden mellem siliciumskiven og guldelementet med nogle få nanometer, forsinkes eller fremskrides fasen af ​​hybridlysbølgen. Når bølgens fase rekombinerer med lys, der bevæger sig i den rørformede kanal, forårsager de to stråler, at lyset enten blokeres eller fortsætter i sin oprindelige retning. Dette gør det muligt at overføre lyset til andre computerchips efter behag. 

Holdets næste skridt involverer at forkorte afstanden mellem siliciumskiven og guldmembranen for at gøre enheden mindre. Dette vil hjælpe yderligere med at reducere signaltab, hvilket gør switchen endnu mere nyttig for forskellige industrier.