Optisk bryter kan omdirigere lys mellom brikker ekstremt raskt

Forskere ved Nasjonalt institutt for standarder og teknologi (NIST) har utviklet en optisk bryter som er i stand til å omdirigere lys mellom databrikker innen 20 milliarddeler av et sekund. Den nye enheten er raskere enn noen lignende enhet, og den kan integreres i rimelige silisiumbrikker på grunn av dens lave spenninger. Når den omdirigerer lys, lider brikken svært lavt signaltap. 

Potensielle applikasjoner

Den nye brikken vil ha store implikasjoner for databehandling, og den vil bidra til å utvikle en datamaskin som behandler informasjon ved hjelp av lys i stedet for elektrisitet. Det er flere fordeler ved å bruke fotoner for å transportere data, inkludert raskere reise og energieffektivitet. Ved bruk av elektrisitet varmes datamaskinkomponenter opp som sløser med energi, og det begrenser datamaskinens ytelse. 

Den nyutviklede bryteren bruker nanometerskala gull og silisium optiske, elektriske og mekaniske komponenter. Disse er alle tettpakket, og de sender lys inn og ut av en kanal. Dette påvirker hastigheten og kjøreretningen. 

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

I følge medforfatter Christian Haffner fra NIST, ETH Zurich og University of Maryland, har bryteren mange potensielle bruksområder. Den kan brukes i førerløse kjøretøy for å omdirigere lysstråler som skanner en kjørebane for å måle avstanden til andre kjøretøy og fotgjengere. Bryteren kan også brukes i nevrale nettverk, ved å bruke kraftigere lysbaserte kretser i stedet for elektrisitetsbaserte. 

En av de største fordelene med den nye bryteren er at den bruker svært lite energi for å omdirigere lyssignaler, noe som kan være ekstremt viktig i kvanteberegning. En kvantedatamaskin har et skjørt forhold mellom par av subatomære partikler, som behandler data. På grunn av deres skjøre natur, må en datamaskin operere ved ekstremt lave temperaturer og lav effekt, slik at partikkelparene ikke blir forstyrret. Siden den nyutviklede bryteren krever mye mindre energi, kan den vise seg å være et viktig aspekt ved kvanteberegning. 

Utfordrende langvarig tro

I følge Haffner, sammen med kollegene Vladimir Akysuk og Henri Lezec fra NIST, motsier de nye funnene mange langvarige oppfatninger i det vitenskapelige samfunnet. Mange forskere mener at denne typen brytere ikke ville være praktisk på grunn av deres klumpete størrelse, og de ville operere ved høye spenninger som forårsaker treg ytelse. 

Oppsettet inkluderer en rørformet kanal kalt en bølgeleder, og en lysstråle beveger seg inne i den. Det er en avkjøring der noe av lyset går ut i et hulrom som er noen nanometer unna. 

Bryteren bruker også en tynn gullmembran som er hengt opp noen titalls nanometer over en silisiumskive, som har hulrommet etset inn i seg. Når lyset reiser rundt, lekker noe av det ut og treffer membranen. Denne aktiviteten induserer grupper av elektroner som er på membranens overflate til å oscillere. Oscillasjonene kalles plasmoner, og de er en blanding mellom en lysbølge og en elektronbølge. De oscillerende elektronene har en kortere bølgelengde som lar forskere manipulere plasmonene over avstander på nanoskala. Alt dette bidrar til at den optiske bryteren forblir ekstremt kompakt. 

Hvis forskerne endrer gapet mellom silisiumskiven og gullelementet med noen få nanometer, blir fasen til hybridlysbølgen forsinket eller avansert. Når fasen av bølgen rekombinerer med lys som beveger seg i den rørformede kanalen, forårsaker de to strålene at lyset enten blokkeres eller fortsetter i sin opprinnelige retning. Dette gjør at lyset kan overføres til andre databrikker etter ønske. 

Teamets neste trinn innebærer å forkorte avstanden mellom silisiumskiven og gullmembranen for å gjøre enheten mindre. Dette vil bidra til å redusere signaltap ytterligere, noe som gjør bryteren enda mer nyttig for forskjellige bransjer.