Optische Schakelaar Kan Licht Tussen Chips Extreem Snel Omleiden

Onderzoekers aan het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een optische schakelaar ontwikkeld die in staat is om licht tussen computerchips om te leiden binnen 20 miljardste van een seconde. Het nieuwe apparaat is sneller dan alle soortgelijke apparaten en kan worden geïntegreerd in goedkope siliciumchips vanwege de lage voltages. Wanneer het licht omleidt, lijdt de chip aan zeer lage signaalverlies.

Mogelijke Toepassingen

De nieuwe chip zal grote gevolgen hebben voor de computertechnologie en zal helpen bij de ontwikkeling van een computer die informatie verwerkt met licht in plaats van elektriciteit. Er zijn verschillende voordelen aan het gebruik van fotonen om gegevens te transporteren, waaronder snellere reistijd en energoefficiëntie. Met het gebruik van elektriciteit worden computeronderdelen opgewarmd, waardoor energie wordt verspild en de prestaties van de computer worden beperkt.

De nieuw ontwikkelde schakelaar gebruikt nanoschaal-goud en silicium optische, elektrische en mechanische componenten. Deze zijn allemaal dicht opeen gepakt en sturen licht in en uit een kanaal. Dit beïnvloedt de snelheid en richting van de reis.

Het apparaat werd beschreven door het NIST-geleide internationale team in Science.

Volgens co-auteur Christian Haffner van NIST, ETH Zurich en de Universiteit van Maryland, heeft de schakelaar veel potentieel voor toepassingen. Het kan worden gebruikt in autonome voertuigen om lichtstralen om te leiden die een weg scannen om de afstand tot andere voertuigen en voetgangers te meten. De schakelaar kan ook worden gebruikt in neurale netwerken, met krachtigere lichtgebaseerde schakelingen in plaats van elektriciteitsgebaseerde.

Een van de belangrijkste voordelen van de nieuwe schakelaar is dat het zeer weinig energie gebruikt om lichtsignalen om te leiden, wat extreem belangrijk kan zijn in kwantumcomputing. Een kwantumcomputer heeft een kwetsbare relatie tussen paren van subatomaire deeltjes, die gegevens verwerkt. Vanwege hun kwetsbare aard moet een computer opereren bij extreem lage temperaturen en laag vermogen, zodat deeltjesparen niet worden verstoord. Aangezien de nieuw ontwikkelde schakelaar veel minder energie vereist, kan het een belangrijk aspect van kwantumcomputing blijken te zijn.

Uitdagingen aan Lang Gehouden Overtuigingen

Volgens Haffner, samen met zijn collega’s Vladimir Akysuk en Henri Lezec van NIST, zijn de nieuwe bevindingen in tegenspraak met veel lang gehouden overtuigingen binnen de wetenschappelijke gemeenschap. Veel onderzoekers geloven dat dit soort schakelaars niet praktisch zouden zijn vanwege hun omvangrijke formaat en zouden opereren bij hoge voltages die langzame prestaties veroorzaken.

De opstelling omvat een buisvormig kanaal genaamd een waveguide, en een lichtstraal reist erin. Er is een afrit waar een deel van het licht uitkomt in een holte die een paar nanometer verwijderd is.

De schakelaar maakt ook gebruik van een dunne gouden membraan dat een paar tientallen nanometers boven een siliciumschijf wordt gesuspendeerd, die de holte erin heeft gesneden. Wanneer het licht rondreist, komt een deel ervan naar buiten en raakt het membraan. Deze activiteit induceert groepen elektronen die op het oppervlak van het membraan oscillatie veroorzaken. De oscillaties worden plasmonen genoemd en zijn een mengsel van een lichtgolf en een elektronengolf. De oscillatie van de elektronen heeft een kortere golflengte, waardoor onderzoekers de plasmonen over nanoschaal-afstanden kunnen manipuleren. Dit alles helpt de optische schakelaar extreem compact te blijven.

Als de onderzoekers de afstand tussen de siliciumschijf en het gouden membraan met een paar nanometer veranderen, wordt de fase van de hybride lichtgolf vertraagd of versneld. Wanneer de fase van de golf zich herenigt met licht dat reist in het buisvormige kanaal, veroorzaken de twee stralen dat het licht wordt geblokkeerd of in zijn oorspronkelijke richting blijft. Dit maakt het mogelijk om het licht over te dragen aan elke andere computerchip naar wens.

De volgende stappen van het team omvatten het verkorten van de afstand tussen de siliciumschijf en het gouden membraan om het apparaat kleiner te maken. Dit zou helpen om het signaalverlies verder te verminderen, waardoor de schakelaar nog nuttiger wordt voor verschillende industrieën.