Оптический переключатель может перенаправлять свет между чипами чрезвычайно быстро

Исследователи в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) разработали оптический переключатель, способный перенаправлять свет между компьютерными чипами за 20 миллиардных долей секунды. Новое устройство быстрее, чем любые подобные устройства, и оно может быть интегрировано в низкозатратные кремниевые чипы благодаря низким напряжениям. Когда оно перенаправляет свет, чип испытывает очень низкие потери сигнала.

Потенциальные применения

Новый чип будет иметь большое значение для вычислительной техники, и он поможет разработать компьютер, который обрабатывает информацию с помощью света, а не электричества. Есть несколько преимуществ использования фотонов для транспортировки данных, включая более быструю передачу и энергоэффективность. При использовании электричества компьютерные компоненты нагреваются, что приводит к потере энергии и ограничению производительности компьютера.

Недавно разработанный переключатель использует нанометровые золотые и кремниевые оптические, электрические и механические компоненты. Все они плотно упакованы и отправляют свет в и из канала. Это влияет на его скорость и направление движения.

Устройство было описано международной командой под руководством NIST в Science.

По словам соавтора Кристиана Хаффнера из NIST, ETH Zurich и Университета Мэриленда, переключатель имеет много потенциальных применений. Он может быть использован в беспилотных транспортных средствах для перенаправления световых лучей, которые сканируют дорогу для измерения расстояния до других транспортных средств и пешеходов. Переключатель также может быть использован в нейронных сетях, используя более мощные световые схемы вместо электрических.

Одним из основных преимуществ нового переключателя является то, что он использует очень мало энергии для перенаправления световых сигналов, что может быть чрезвычайно важно в квантовых вычислениях. Квантовый компьютер имеет хрупкие отношения между парами субатомных частиц, которые обрабатывают данные. Из-за их хрупкой природы компьютер должен работать при чрезвычайно низких температурах и низкой мощности, чтобы не нарушить пары частиц. Поскольку недавно разработанный переключатель требует гораздо меньше энергии, он может оказаться важным аспектом квантовых вычислений.

Вызов устоявшимся убеждениям

По словам Хаффнера, а также его коллег Владимира Акысука и Анри Лезека из NIST, новые результаты противоречат многим устоявшимся убеждениям в научном сообществе. Многие исследователи считают, что такие переключатели не будут практичными из-за их громоздкого размера и будут работать при высоких напряжениях, что приводит к медленной производительности.

Установка включает в себя трубчатый канал, называемый волноводом, и световой луч, который проходит внутри него. Там есть съезд, где часть света выходит в полость, расположенную всего в нескольких нанометрах.

Переключатель также использует тонкую золотую мембрану, подвешенную на несколько десятков нанометров над кремниевым диском, в котором выгравирована полость. Когда свет проходит вокруг, часть его выходит и попадает на мембрану. Это действие вызывает колебания групп электронов на поверхности мембраны. Эти колебания называются плазмоновыми колебаниями и представляют собой смесь световой волны и электронной волны. Колеблющиеся электроны имеют более короткую длину волны, что позволяет исследователям манипулировать плазмоновыми колебаниями на наноразмерных расстояниях. Все это помогает оптическому переключателю оставаться чрезвычайно компактным.

Если исследователи изменяют зазор между кремниевым диском и золотой мембраной на несколько нанометров, фаза гибридной световой волны задерживается или опережается. Когда фаза волны объединяется со светом, проходящим через трубчатый канал, два луча вызывают либо блокировку света, либо продолжение его движения в исходном направлении. Это позволяет перенаправлять свет на любой другой компьютерный чип по желанию.

Следующим шагом команды является уменьшение расстояния между кремниевым диском и золотой мембраной, чтобы сделать устройство еще более компактным. Это поможет еще больше уменьшить потерю сигнала, сделав переключатель еще более полезным для различных отраслей.