Optischer Schalter kann Licht extrem schnell zwischen Chips umleiten

Forscher an der Nationales Institut für Standards und Technologie (NIST) haben einen optischen Schalter entwickelt, der Licht innerhalb von 20 Milliardstel Sekunden zwischen Computerchips umleiten kann. Das neue Gerät ist schneller als alle vergleichbaren Geräte und könnte aufgrund seiner niedrigen Spannungen in kostengünstige Siliziumchips integriert werden. Wenn das Licht umgeleitet wird, erleidet der Chip einen sehr geringen Signalverlust. 

Mögliche Anwendungen

Der neue Chip wird große Auswirkungen auf die Datenverarbeitung haben und dabei helfen, einen Computer zu entwickeln, der Informationen mithilfe von Licht statt mit Strom verarbeitet. Die Verwendung von Photonen zum Transport von Daten bietet mehrere Vorteile, darunter schnellere Reisen und Energieeffizienz. Durch den Einsatz von Elektrizität werden Computerkomponenten erhitzt, wodurch Energie verschwendet wird und die Leistung des Computers eingeschränkt wird. 

Der neu entwickelte Schalter verwendet optische, elektrische und mechanische Komponenten aus Gold und Silizium im Nanometerbereich. Diese sind alle dicht gepackt und senden Licht in einen Kanal hinein und aus diesem heraus. Dies beeinflusst seine Geschwindigkeit und Fahrtrichtung. 

Das Gerät wurde vom NIST-geführten internationalen Team in beschrieben Science. 

Laut Co-Autor Christian Haffner vom NIST, der ETH Zürich und der University of Maryland hat der Schalter viele potenzielle Anwendungen. Es könnte in fahrerlosen Fahrzeugen eingesetzt werden, um Lichtstrahlen umzulenken, die eine Fahrbahn abtasten, um den Abstand zu anderen Fahrzeugen und Fußgängern zu messen. Der Schalter könnte auch in neuronalen Netzen eingesetzt werden und dabei leistungsstärkere lichtbasierte Schaltkreise statt strombasierter Schaltkreise nutzen. 

Einer der Hauptvorteile des neuen Schalters besteht darin, dass er nur sehr wenig Energie für die Umleitung von Lichtsignalen verbraucht, was im Quantencomputing äußerst wichtig sein könnte. Ein Quantencomputer verfügt über eine fragile Beziehung zwischen Paaren subatomarer Teilchen, die Daten verarbeiten. Aufgrund ihrer Zerbrechlichkeit muss ein Computer bei extrem niedrigen Temperaturen und geringer Leistung arbeiten, damit Teilchenpaare nicht gestört werden. Da der neu entwickelte Schalter deutlich weniger Energie benötigt, könnte er sich als wichtiger Aspekt des Quantencomputings erweisen. 

Lange gehegte Überzeugungen in Frage stellen

Laut Haffner und seinen Kollegen Vladimir Akysuk und Henri Lezec vom NIST widersprechen die neuen Erkenntnisse vielen lange gehegten Überzeugungen innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Viele Forscher glauben, dass diese Art von Schaltern aufgrund ihrer sperrigen Größe nicht praktikabel wäre und bei hohen Spannungen arbeiten würde, die zu einer langsamen Leistung führen würden. 

Der Aufbau umfasst einen röhrenförmigen Kanal, einen sogenannten Wellenleiter, in dem sich ein Lichtstrahl bewegt. Es gibt eine Austrittsrampe, bei der ein Teil des Lichts in einen wenige Nanometer entfernten Hohlraum austritt. 

Der Schalter verwendet außerdem eine dünne Goldmembran, die einige zehn Nanometer über einer Siliziumscheibe hängt, in die der Hohlraum eingeätzt ist. Wenn das Licht umherwandert, tritt ein Teil davon aus und trifft auf die Membran. Diese Aktivität regt Elektronengruppen auf der Membranoberfläche zum Schwingen an. Die Schwingungen werden Plasmonen genannt und sind eine Mischung aus einer Lichtwelle und einer Elektronenwelle. Die oszillierenden Elektronen haben eine kürzere Wellenlänge, die es Forschern ermöglicht, die Plasmonen über Entfernungen im Nanomaßstab zu manipulieren. All dies trägt dazu bei, dass der optische Schalter äußerst kompakt bleibt. 

Wenn die Forscher den Abstand zwischen der Siliziumscheibe und dem Goldkörper um einige Nanometer verändern, wird die Phase der hybriden Lichtwelle verzögert oder vorverlegt. Wenn sich die Phase der Welle mit dem Licht, das sich im röhrenförmigen Kanal bewegt, wieder vereint, bewirken die beiden Strahlen, dass das Licht entweder blockiert wird oder in seiner ursprünglichen Richtung weiterläuft. Dadurch kann das Licht beliebig auf beliebige andere Computerchips übertragen werden. 

Die nächsten Schritte des Teams bestehen darin, den Abstand zwischen der Siliziumscheibe und der Goldmembran zu verkürzen, um das Gerät kleiner zu machen. Dies würde dazu beitragen, den Signalverlust weiter zu reduzieren und den Wechsel für verschiedene Branchen noch nützlicher zu machen.