Optisk bryter kan omlede lys mellom chip meget raskt

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har utviklet en optisk bryter som kan omlede lys mellom datamaskin-chip på bare 20 milliarddeler av et sekund. Den nye enheten er raskere enn lignende enheter, og den kan integreres i lavkostnads silisium-chip på grunn av sine lave spenninger. Når den omleder lys, lider chipet svært lite signal-tap. 

Potensielle anvendelser

Den nye chippen vil ha store implikasjoner for datamaskin-teknologi, og den vil hjelpe med å utvikle en datamaskin som prosesserer informasjon ved hjelp av lys i stedet for elektrisitet. Det er flere fordeler med å bruke fotoner for å transportere data, inkludert raskere reise og energi-effektivitet. Ved å bruke elektrisitet, varmes datamaskin-komponenter opp, noe som fører til energitap og begrensning av datamaskin-ytelse. 

Den nylig utviklede bryteren bruker nanometer-skala gull og silisium-optiske, elektriske og mekaniske komponenter. Disse er alle tett pakket, og de sender lys inn og ut av en kanal. Dette påvirker hastigheten og retningen på lys-reisen. 

Enheten ble beskrevet av det NIST-ledede internasjonale teamet i Science. 

Ifølge medforfatter Christian Haffner fra NIST, ETH Zurich og University of Maryland, har bryteren mange potensielle anvendelser. Den kan brukes i selvkjørende kjøretøy for å omlede lysstråler som skanner en vei for å måle avstanden til andre kjøretøy og fotgjengere. Bryteren kan også brukes i neurale nettverk, som utnytter mer kraftfulle lys-baserte kretser i stedet for elektrisitets-baserte. 

En av de største fordelene med den nye bryteren er at den bruker svært lite energi for å omlede lys-signalene, noe som kan være svært viktig i kvantecomputing. En kvantecomputer har en skjør sammenheng mellom par av subatomære partikler, som prosesserer data. På grunn av deres skjøre natur, må en datamaskin operere ved svært lave temperaturer og lav effekt, så partikkel-parene ikke forstyrres. Siden den nylig utviklede bryteren krever mye mindre energi, kan den vise seg å være en viktig del av kvantecomputing. 

Utfordrer langvarige overbevisninger

Ifølge Haffner, sammen med hans kolleger Vladimir Akysuk og Henri Lezec fra NIST, motsier de nye funn mange langvarige overbevisninger i det vitenskapelige samfunnet. Mange forskere tror at slike brytere ikke ville være praktiske på grunn av deres bulke størrelse, og de ville operere ved høye spenninger som fører til treg ytelse. 

Oppsettet inkluderer en rørformet kanal kalt en bølgeleder, og en lysstråle reiser inni den. Det er en avkjørsel der noe av lyset forlater kanalen og går inn i en hulrom som er noen få nanometer unna. 

Bryteren bruker også en tynn gull-membran som er suspendert noen få titalls nanometer over en silisium-skive, som har hulrommet gravert inn i den. Når lyset reiser rundt, lekker noe av det ut og treffer membranen. Dette inducerer grupper av elektroner som er på membranens overflate til å oscillerer. Oscillasjonene kalles plasmoner, og de er en blanding av lys-bølger og elektron-bølger. De oscillerende elektronene har en kortere bølgelengde som tillater forskerne å manipulere plasmonene over nanoskala-avstander. Dette hjelper den optiske bryteren å forbli svært kompakt. 

Hvis forskerne endrer avstanden mellom silisium-skiven og gull-medlemmet med noen få nanometer, blir fasen til den hybride lys-bølgen forsinket eller forkortet. Når fasen til bølgen gjenforenes med lyset som reiser i den rørformete kanalen, fører de to strålene til at lyset enten blir blokkert eller fortsetter i sin opprinnelige retning. Dette tillater lyset å overføres til enhver annen datamaskin-chip når som helst. 

Teamets neste skritt inkluderer å forkorte avstanden mellom silisium-skiven og gull-membranet for å gjøre enheten mindre. Dette ville hjelpe med å ytterligere redusere signal-tap, og gjøre bryteren enda mer nyttig for ulike industrier.