Optisk Switch Kan Omdirigera Ljus Mellan Chip Extremely Snabbt

Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat en optisk switch som kan omdirigera ljus mellan datorchip på bara 20 miljarddelar av en sekund. Den nya enheten är snabbare än liknande enheter och kan integreras i billiga kiselchip på grund av dess låga spänningar. När den omdirigerar ljus lider chippet mycket låga signaler.

Potentiella Tillämpningar

Den nya chippet kommer att ha stora implikationer för datorteknik och kommer att hjälpa till att utveckla en dator som bearbetar information med ljus istället för elektricitet. Det finns flera fördelar med att använda fotoner för att transportera data, inklusive snabbare resa och energibesparing. När elektricitet används värms datorkomponenter upp, vilket slösar bort energi och begränsar datorteknikens prestanda.

Den nyligen utvecklade switchen använder nanometerskala guld och kiseloptiska, elektriska och mekaniska komponenter. Dessa är alla tätt packade och skickar ljus in och ut ur en kanal. Detta påverkar dess hastighet och riktning.

Enheten beskrevs av det NIST-ledda internationella teamet i Science.

Enligt medförfattaren Christian Haffner från NIST, ETH Zurich och University of Maryland, har switchen många potentiella tillämpningar. Den kan användas i självkörande fordon för att omdirigera ljusstrålar som skannar en väg för att mäta avståndet till andra fordon och fotgängare. Switchen kan också användas inom neuronnät, med mer kraftfulla ljusbaserade kretsar istället för elektricitetsbaserade.

En av de stora fördelarna med den nya switchen är att den använder mycket lite energi för att omdirigera ljussignaler, vilket kan vara extremt viktigt i kvantdatorteknik. En kvantdator har en ömtålig relation mellan par av subatomära partiklar, som bearbetar data. På grund av deras ömtåliga natur måste en dator fungera vid mycket låga temperaturer och låg effekt så att partikelparen inte störs. Eftersom den nyligen utvecklade switchen kräver mycket mindre energi, kan den visa sig vara en viktig aspekt av kvantdatorteknik.

Utmanar Långvariga Övertygelser

Enligt Haffner, tillsammans med hans kollegor Vladimir Akysuk och Henri Lezec från NIST, motsäger de nya resultaten många långvariga övertygelser inom den vetenskapliga gemenskapen. Många forskare tror att sådana switchar inte skulle vara praktiska på grund av deras stora storlek, och de skulle fungera vid höga spänningar som orsakar långsam prestanda.

Uppställningen inkluderar en rörformad kanal som kallas en vågledare, och en ljusstråle reser inuti den. Det finns en avfart där en del av ljuset lämnar kanalen och går in i en hålighet som är ett par nanometer bort.

Switchen använder också en tunn guldmembran som är upphängd ett par tiotal nanometer ovanför en kiselskiva, som har håligheten etsad in i den. När ljuset reser runt, läcker en del av det ut och träffar membranet. Denna aktivitet inducerar grupper av elektroner som är på membranets yta att oscillera. Oscillationerna kallas plasmoner, och de är en blandning av en ljusvåg och en elektronvåg. De oscillerande elektronerna har en kortare våglängd som tillåter forskare att manipulera plasmonerna över nanoskalaavstånd. Allt detta hjälper den optiska switchen att förbli extremt kompakt.

Om forskarna ändrar avståndet mellan kiselskivan och den gula medlemmen med ett par nanometer, försenas eller försnabbas fasen på den hybrida ljusvågen. När fasen på vågen återförenas med ljus som reser i den rörformade kanalen, orsakar de två strålarna att ljuset antingen blockeras eller fortsätter i sin ursprungliga riktning. Detta tillåter ljuset att överföras till vilken annan datorchip som helst efter behag.

Forskargruppens nästa steg innebär att förkorta avståndet mellan kiselskivan och den gula membranen för att göra enheten mindre. Detta skulle hjälpa till att ytterligare minska signalbortfallet, vilket gör switchen ännu mer användbar för olika industrier.