Sakelar Optik Dapat Mengalihkan Cahaya Antara Chip dengan Sangat Cepat

Peneliti di National Institute of Standards and Technology (NIST) telah mengembangkan sakelar optik yang dapat mengalihkan cahaya antara chip komputer dalam 20 miliar detik. Perangkat baru ini lebih cepat daripada perangkat serupa lainnya, dan dapat diintegrasikan ke dalam chip silikon berbiaya rendah karena tegangan rendahnya. Ketika mengalihkan cahaya, chip tersebut mengalami kerugian sinyal yang sangat rendah.

Potensi Aplikasi

Chip baru ini akan memiliki dampak besar pada komputasi, dan akan membantu mengembangkan komputer yang memproses informasi menggunakan cahaya daripada listrik. Terdapat beberapa kelebihan menggunakan foton untuk mengangkut data, termasuk perjalanan yang lebih cepat dan efisiensi energi. Dengan menggunakan listrik, komponen komputer dipanaskan, yang membuang energi dan membatasi kinerja komputer.

Sakelar baru ini menggunakan komponen optik, listrik, dan mekanik skala nanometer dari emas dan silikon. Semua komponen ini dipadatkan dan mengirim cahaya ke dalam dan keluar dari saluran. Ini mempengaruhi kecepatan dan arah perjalanan cahaya.

Perangkat ini dijelaskan oleh tim internasional yang dipimpin NIST di Science.

Menurut co-penulis Christian Haffner dari NIST, ETH Zurich, dan Universitas Maryland, sakelar ini memiliki banyak potensi aplikasi. Ini dapat digunakan dalam kendaraan otonom untuk mengalihkan berkas cahaya yang memindai jalan untuk mengukur jarak ke kendaraan dan pejalan kaki lainnya. Sakelar ini juga dapat digunakan dalam jaringan saraf, menggunakan sirkuit berbasis cahaya yang lebih kuat daripada sirkuit berbasis listrik.

Salah satu kelebihan utama sakelar baru ini adalah bahwa itu menggunakan sangat sedikit energi untuk mengalihkan sinyal cahaya, yang dapat sangat penting dalam komputasi kuantum. Komputer kuantum memiliki hubungan yang rapuh antara pasangan partikel subatom, yang memproses data. Karena sifat rapuhnya, komputer perlu beroperasi pada suhu yang sangat rendah dan daya yang rendah agar pasangan partikel tidak terganggu. Karena sakelar baru ini memerlukan energi yang jauh lebih sedikit, itu dapat menjadi aspek penting dalam komputasi kuantum.

Menantang Keyakinan yang Berlangsung Lama

Menurut Haffner, bersama dengan rekan-rekannya Vladimir Akysuk dan Henri Lezec dari NIST, temuan baru ini bertentangan dengan banyak keyakinan yang berlangsung lama dalam komunitas ilmiah. Banyak peneliti percaya bahwa sakelar jenis ini tidak akan praktis karena ukuran yang besar, dan akan beroperasi pada tegangan tinggi yang menyebabkan kinerja yang lambat.

Pengaturan ini termasuk saluran berbentuk tabung yang disebut waveguide, dan berkas cahaya yang berjalan di dalamnya. Terdapat sebuah off-ramp di mana sebagian cahaya keluar ke dalam rongga yang beberapa nanometer jauhnya.

Sakelar ini juga menggunakan membran emas tipis yang digantung beberapa puluh nanometer di atas cakram silikon, yang memiliki rongga yang diukir ke dalamnya. Ketika cahaya berjalan, sebagian dari cahaya tersebut bocor dan mengenai membran. Aktivitas ini menyebabkan kelompok elektron yang ada di permukaan membran untuk bergetar. Getaran ini disebut plasmon, dan merupakan campuran antara gelombang cahaya dan gelombang elektron. Getaran elektron memiliki panjang gelombang yang lebih pendek, yang memungkinkan peneliti untuk memanipulasi plasmon pada jarak nanoskala. Semua ini membantu sakelar optik tetap sangat kompak.

Jika peneliti mengubah jarak antara cakram silikon dan anggota emas dengan beberapa nanometer, fase gelombang cahaya hibrida tertunda atau dimajukan. Ketika fase gelombang bergabung kembali dengan cahaya yang berjalan di saluran berbentuk tabung, dua berkas cahaya tersebut menyebabkan cahaya untuk terhalang atau terus berjalan dalam arah aslinya. Ini memungkinkan cahaya untuk dipindahkan ke chip komputer lainnya sesuai keinginan.

Langkah selanjutnya tim ini melibatkan memperpendek jarak antara cakram silikon dan membran emas untuk membuat perangkat lebih kecil. Ini akan membantu mengurangi kerugian sinyal lebih lanjut, membuat sakelar lebih berguna untuk berbagai industri.