สวิตช์แสงออปติกที่สามารถเปลี่ยนเส้นทางแสงระหว่างชิปได้อย่างรวดเร็ว

นักวิจัยที่สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) ได้พัฒนาสวิตช์แสงออปติกที่สามารถเปลี่ยนเส้นทางแสงระหว่างชิปคอมพิวเตอร์ได้ภายใน 20 พันล้านวินาที อุปกรณ์ใหม่นี้เร็วกว่าอุปกรณ์ที่คล้ายกันใดๆ และสามารถรวมเข้ากับชิปซิลิกอนที่มีต้นทุนต่ำได้เนื่องจากมีแรงดันไฟฟ้าต่ำ เมื่อเปลี่ยนเส้นทางแสง ชิปจะสูญเสียสัญญาณน้อยมาก

การประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้

ชิปใหม่นี้จะมีผลกระทบใหญ่ต่อการคำนวณ และจะช่วยพัฒนาเครื่องคอมพิวเตอร์ที่ประมวลผลข้อมูลโดยใช้แสงแทนไฟฟ้า มีหลายข้อดีในการใช้โฟตอนในการส่งต่อข้อมูล รวมถึงการเดินทางที่เร็วขึ้นและประหยัดพลังงาน เมื่อใช้ไฟฟ้า ส่วนประกอบของคอมพิวเตอร์จะถูกทำให้ร้อนขึ้น ซึ่งจะสูญเสียพลังงานและจำกัดประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์

สวิตช์ใหม่นี้ใช้ส่วนประกอบออปติก อิเล็กทริก และกลไกที่มีขนาดนาโนเมตรจากทองและซิลิกอน ซึ่งถูกยัดให้แน่นและส่งแสงเข้าและออกจากช่องทาง ซึ่งจะส่งผลต่อความเร็วและทิศทางของการเดินทาง

อุปกรณ์นี้ถูกอธิบายโดยทีมงานระหว่างประเทศที่นำโดย NIST ใน Science

ตามคำกล่าวของ Christian Haffner ซึ่งเป็นนักวิจัยจาก NIST, ETH Zurich และ University of Maryland สวิตช์นี้มีหลายข้อดีในการประยุกต์ใช้ สามารถใช้ในรถยนต์ไร้คนขับที่เปลี่ยนเส้นทางแสงเพื่อวัดระยะทางไปยังรถยนต์และคนเดินถนนอื่นๆ สวิตช์สามารถใช้ในเครือข่ายประสาทเทียมโดยใช้เซอร์กิตที่มีพลังมากขึ้นโดยใช้แสงแทนไฟฟ้า

หนึ่งในข้อดีหลักของสวิตช์ใหม่นี้คือใช้พลังงานน้อยในการเปลี่ยนเส้นทางสัญญาณแสง ซึ่งอาจมีความสำคัญมากในการคำนวณควอนตัม คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีความสัมพันธ์ที่อ่อนไหวระหว่างคู่ของอนุภาคย่อย ซึ่งประมวลผลข้อมูล เนื่องจากมีความอ่อนไหว คอมพิวเตอร์จึงต้องทำงานที่อุณหภูมิและพลังงานต่ำมาก เพื่อให้ไม่ทำให้คู่อนุภาคย่อยถูกรบกวน เนื่องจากสวิตช์ใหม่ต้องการพลังงานน้อยกว่า จึงอาจเป็นส่วนสำคัญของการคำนวณควอนตัม

ท้าทายความเชื่อที่ยึดมานาน

ตาม Haffner และเพื่อนร่วมงาน Vladimir Akysuk และ Henri Lezec จาก NIST การค้นพบใหม่นี้ขัดแย้งกับความเชื่อที่ยึดมานานในวงการวิทยาศาสตร์ นักวิจัยหลายคนเชื่อว่าสวิตช์ประเภทนี้จะไม่ใช้ได้จริงเนื่องจากมีขนาดใหญ่และทำงานที่แรงดันสูง ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพช้า

การกำหนดค่าประกอบด้วยช่องทางที่มีรูปทรงเป็นท่อเรียกว่าเวฟไกด์ และแสงจะเดินทางภายในนั้น มีทางออกที่แสงบางส่วนจะออกไปสู่ห้องว่างที่อยู่ห่างออกไปเพียงไม่กี่นาโนเมตร

สวิตช์ยังใช้เยื่อทองบางที่แขวนลอยเหนือแผ่นซิลิกอนที่มีห้องว่างแกะออกมา เมื่อแสงเดินทางรอบๆ บางส่วนจะรั่วออกมาและตกกระทบบนเยื่อ ทำให้กลุ่มของอิเล็กตรอนที่อยู่บนพื้นผิวของเยื่อถูกกระตุ้นให้แกว่งไหว การแกว่งไหวนี้เรียกว่าพลาสมอน ซึ่งเป็นคลื่นแสงและคลื่นอิเล็กตรอนผสมกัน การแกว่งไหวของอิเล็กตรอนมีความยาวคลื่นสั้นกว่า ซึ่งช่วยให้นักวิจัยสามารถควบคุมพลาสมอนได้ในช่วงระยะทางนาโนเมตร ซึ่งช่วยให้สวิตช์แสงออปติกยังคงขนาดกะทัดรัด

หากนักวิจัยเปลี่ยนช่องว่างระหว่างแผ่นซิลิกอนและเยื่อทองเพียงไม่กี่นาโนเมตร เฟสของคลื่นแสงผสมจะถูกเลื่อนหรือล่าช้า เมื่อเฟสของคลื่นผสมกับแสงเดินทางในทางท่อที่มีรูปทรงเป็นท่อ สองคลื่นก็จะทำให้แสงถูกขัดขวางหรือเดินทางต่อไปในทิศทางเดิม

ทีมงานต่อไปจะพยายามลดระยะห่างระหว่างแผ่นซิลิกอนและเยื่อทองเพื่อทำให้อุปกรณ์เล็กลง ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียสัญญาณมากขึ้น ทำให้สวิตช์เป็นประโยชน์มากขึ้นสำหรับอุตสาหกรรมต่างๆ