Optischer Schalter kann Licht zwischen Chips extrem schnell umleiten

Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) haben einen optischen Schalter entwickelt, der in der Lage ist, Licht zwischen Computerchips innerhalb von 20 Billionstel einer Sekunde umzuleiten. Das neue Gerät ist schneller als ähnliche Geräte und könnte aufgrund seiner niedrigen Spannung in preiswerte Silizium-Chips integriert werden. Wenn es Licht umleitet, erleidet der Chip sehr geringe Signalverluste. 

Potentielle Anwendungen

Der neue Chip wird große Auswirkungen auf die Rechnertechnik haben und dazu beitragen, einen Computer zu entwickeln, der Informationen mithilfe von Licht und nicht von Elektrizität verarbeitet. Es gibt mehrere Vorteile bei der Verwendung von Photonen zur Datenübertragung, einschließlich schnellerer Übertragung und Energieeffizienz. Bei der Verwendung von Elektrizität werden Computerkomponenten erhitzt, was Energie verschwenden und die Rechnerleistung begrenzen kann. 

Der neu entwickelte Schalter verwendet nanoskalige Gold- und Silizium-Optik-, Elektro- und Mechanik-Komponenten. Diese sind alle dicht gepackt und senden Licht in und aus einem Kanal. Dies beeinflusst seine Geschwindigkeit und Richtung. 

Das Gerät wurde von einem internationalen Team unter der Leitung von NIST in Science beschrieben. 

Laut dem Co-Autor Christian Haffner von NIST, ETH Zürich und der University of Maryland hat der Schalter viele potenzielle Anwendungen. Er könnte in fahrerlosen Fahrzeugen verwendet werden, um Lichtstrahlen umzuleiten, die eine Straße scannen, um die Entfernung zu anderen Fahrzeugen und Fußgängern zu messen. Der Schalter könnte auch in neuronalen Netzen verwendet werden, um leistungsstärkere lichtbasierte Schaltkreise anstelle von elektrischen zu nutzen. 

Einer der größten Vorteile des neuen Schalters ist, dass er sehr wenig Energie benötigt, um Lichtsignale umzuleiten, was in der Quantenrechnung sehr wichtig sein könnte. Ein Quantencomputer hat eine fragile Beziehung zwischen Paaren von subatomaren Partikeln, die Daten verarbeiten. Aufgrund ihrer fragilen Natur muss ein Computer bei extrem niedrigen Temperaturen und niedriger Leistung betrieben werden, damit die Partikelpaare nicht gestört werden. Da der neu entwickelte Schalter weniger Energie benötigt, könnte er ein wichtiger Aspekt der Quantenrechnung sein. 

Herausforderung langgehegter Überzeugungen

Laut Haffner und seinen Kollegen Vladimir Akysuk und Henri Lezec von NIST widersprechen die neuen Erkenntnisse vielen langgehegten Überzeugungen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Viele Forscher glauben, dass solche Schalter aufgrund ihrer voluminösen Größe und ihrer hohen Spannung, die zu langsamer Leistung führt, nicht praktisch wären. 

Die Einrichtung umfasst einen röhrenförmigen Kanal, der als Wellenleiter bezeichnet wird, und einen Lichtstrahl, der darin verläuft. Es gibt eine Ausfahrt, an der ein Teil des Lichts in eine Kammer austritt, die nur wenige Nanometer entfernt ist. 

Der Schalter verwendet auch eine dünne Goldmembran, die über einem Silizium-Scheibe mit einer in sie eingravierten Kammer suspendiert ist. Wenn das Licht umhergeht, tritt ein Teil davon aus und trifft auf die Membran. Diese Aktivität induziert Elektronengruppen auf der Oberfläche der Membran, die als Plasmonen bezeichnet werden, eine Mischung aus Lichtwelle und Elektronenwelle. Die schwingenden Elektronen haben eine kürzere Wellenlänge, die es Forschern ermöglicht, die Plasmonen über nanoskalige Entfernungen zu manipulieren. All dies hilft dem optischen Schalter, extrem kompakt zu bleiben. 

Wenn die Forscher den Abstand zwischen der Silizium-Scheibe und der Goldmembran um einige Nanometer ändern, wird die Phase der hybriden Lichtwelle verzögert oder beschleunigt. Wenn die Phase der Welle mit dem Licht, das durch den röhrenförmigen Kanal verläuft, wieder kombiniert wird, verursachen die beiden Strahlen, dass das Licht entweder blockiert oder in seiner ursprünglichen Richtung weitergeleitet wird. Dies ermöglicht es, das Licht willkürlich auf andere Computerchips zu übertragen. 

Der nächste Schritt des Teams besteht darin, den Abstand zwischen der Silizium-Scheibe und der Goldmembran zu verkürzen, um das Gerät kleiner zu machen. Dies würde dazu beitragen, den Signalverlust weiter zu reduzieren und den Schalter noch nützlicher für verschiedene Branchen zu machen.