Przełącznik optyczny może przekierowywać światło między układami scalanymi niezwykle szybko

Naukowcy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) opracowali przełącznik optyczny, który jest w stanie przekierowywać światło między układami scalanymi w ciągu 20 bilionowych części sekundy. Nowe urządzenie jest szybsze niż jakiekolwiek podobne urządzenia i może być zintegrowane z tanimi układami scalanymi ze względu na niskie napięcia. Podczas przekierowania światła układ scalany doświadcza bardzo niskiej straty sygnału.

Potencjalne zastosowania

Nowy układ scalany będzie miał duże znaczenie dla obliczeń i pomoże w rozwoju komputera, który przetwarza informacje za pomocą światła, a nie prądu elektrycznego. Istnieją beberapa zalety korzystania z fotonów do transportu danych, w tym szybsze podróżowanie i wydajność energetyczna. Podczas korzystania z prądu elektrycznego komponenty komputera są nagrzewane, co marnuje energię i ogranicza wydajność komputera.

Nowo opracowany przełącznik wykorzystuje nanometryczną skalę złota i krzemu optycznych, elektrycznych i mechanicznych komponentów. Są one wszystkie gęsto upakowane i wysyłają światło do i z kanału. To wpływa na jego prędkość i kierunek podróży.

Urządzenie zostało opisane przez międzynarodowy zespół kierowany przez NIST w Science.

Według współautora Christiana Haffnera z NIST, ETH Zurich i Uniwersytetu w Maryland, przełącznik ma wiele potencjalnych zastosowań. Może być użyty w pojazdach autonomicznych do przekierowania wiązek światła, które skanują drogę w celu pomiaru odległości do innych pojazdów i pieszych. Przełącznik może być również użyty w sieciach neuronowych, wykorzystując bardziej potężne obwody światłowodowe zamiast elektrycznych.

Jednym z głównych korzyści nowego przełącznika jest to, że używa bardzo niewiele energii do przekierowania sygnałów światła, co może być niezwykle ważne w komputerach kwantowych. Komputer kwantowy ma delikatną relację między parami subatomowych cząstek, które przetwarzają dane. Ze względu na ich delikatną naturę komputer musi działać w ekstremalnie niskich temperaturach i niskim natężeniu, aby nie zakłócić pary cząstek. Ponieważ nowo opracowany przełącznik wymaga znacznie mniej energii, może okazać się ważnym elementem komputerów kwantowych.

Wyzwanie długotrwałych przekonań

Według Haffnera, wraz z jego kolegami Vladimirem Akysukiem i Henrim Lezec z NIST, nowe odkrycia sprzeczne są z wieloma długotrwałymi przekonaniami w społeczności naukowej. Wiele badaczy uważa, że tego typu przełączniki nie będą praktyczne ze względu na ich rozmiar i będą działać przy wysokich napięciach, co spowoduje wolne działanie.

Ustawienie obejmuje rurkowaty kanał zwany waveguidem, a wiązka światła podróżuje w jego wnętrzu. Istnieje rampa wyjazdowa, gdzie część światła wychodzi do komory, która jest oddalona o kilka nanometrów.

Przełącznik wykorzystuje również cienką membranę złotą, która jest zawieszona kilka dziesiątków nanometrów nad krążkiem krzemowym, który ma wyżłobioną komorę. Gdy światło porusza się, część z niego wycieka i uderza w membranę. To powoduje, że grupy elektronów na powierzchni membrany zaczynają oscylować. Oscylacje te nazywane są plazmonami i są połączeniem fali światła i fali elektronowej. Oscylujące elektrony mają krótszą długość fali, co pozwala badaczom manipulować plazmonami na odległościach nanometrycznych. To wszystko pomaga przełącznikowi optycznemu pozostać niezwykle kompaktowym.

Jeśli badacze zmienią odległość między krążkiem krzemowym a membraną złotą o kilka nanometrów, faza hybrydowej fali światła jest opóźniona lub przyspieszona. Gdy faza fali łączy się z światłem podróżującym w rurkowatym kanale, dwa promienie powodują, że światło jest albo blokowane, albo kontynuuje swoją pierwotną drogę. To pozwala na transfer światła do dowolnego innego układu scalanego według uznania.

Następnym krokiem zespołu jest skrócenie odległości między krążkiem krzemowym a membraną złotą, aby uczynić urządzenie mniejszym. To pomoże dalej zmniejszyć stratę sygnału, co sprawi, że przełącznik będzie jeszcze bardziej przydatny dla różnych branż.