Оптичний комутатор може надзвичайно швидко перенаправляти світло між мікросхемами

Дослідники в Національний інститут стандартів і технологій (NIST) розробили оптичний перемикач, який здатний перенаправляти світло між комп’ютерними чіпами протягом 20 мільярдних часток секунди. Новий пристрій працює швидше, ніж будь-які аналогічні пристрої, і його можна інтегрувати в недорогі кремнієві чіпи завдяки низькій напрузі. Коли він перенаправляє світло, чіп зазнає дуже низьких втрат сигналу. 

Потенційні програми

Новий чіп матиме велике значення для обчислень, і він допоможе розробити комп’ютер, який оброблятиме інформацію за допомогою світла, а не електрики. Є кілька переваг використання фотонів для передачі даних, включаючи швидшу подорож та енергоефективність. Під час використання електрики компоненти комп’ютера нагріваються, що витрачає енергію, що обмежує продуктивність комп’ютера. 

Нещодавно розроблений комутатор використовує оптичні, електричні та механічні компоненти із золота та кремнію нанометрового розміру. Усі вони щільно упаковані, і вони посилають світло в канал і з нього. Це впливає на його швидкість і напрямок руху. 

Пристрій було описано міжнародною групою під керівництвом NIST у Наука. 

За словами співавтора Крістіана Хаффнера з NIST, ETH Zurich та Університету Меріленда, комутатор має багато потенційних застосувань. Його можна використовувати в безпілотних автомобілях для перенаправлення світлових променів, які сканують проїжджу частину, щоб вимірювати відстань до інших транспортних засобів і пішоходів. Перемикач також можна використовувати в нейронних мережах, використовуючи потужніші світлові схеми, а не електричні. 

Однією з головних переваг нового комутатора є те, що він використовує дуже мало енергії для перенаправлення світлових сигналів, що може бути надзвичайно важливим у квантових обчисленнях. Квантовий комп’ютер має крихкий зв’язок між парами субатомних частинок, які обробляють дані. Через свою крихку природу комп’ютер повинен працювати за надзвичайно низьких температур і малої потужності, щоб пари частинок не порушувалися. Оскільки нещодавно розроблений комутатор потребує набагато менше енергії, він може виявитися важливим аспектом квантових обчислень. 

Виклик давно усталеним переконанням

За словами Хаффнера, а також його колег Володимира Акісука та Анрі Лезека з NIST, нові відкриття суперечать багатьом давнім переконанням наукового співтовариства. Багато дослідників вважають, що ці типи перемикачів не будуть практичними через їхні громіздкі розміри, і вони працюватимуть при високій напрузі, що спричинить низьку продуктивність. 

Установка включає канал у формі труби, який називається хвилеводом, і промінь світла рухається всередині нього. Існує вихідна рампа, де частина світла виходить у порожнину, яка знаходиться на відстані кількох нанометрів. 

У комутаторі також використовується тонка золота мембрана, яка підвішена на кілька десятків нанометрів над кремнієвим диском, у якому є врізана порожнина. Коли світло рухається навколо, частина його витікає і потрапляє на мембрану. Ця активність спонукає групи електронів, які знаходяться на поверхні мембрани, коливатися. Коливання називаються плазмонами, і вони являють собою суміш між світловою та електронною хвилями. Електрони, що коливаються, мають меншу довжину хвилі, що дозволяє дослідникам маніпулювати плазмонами на нанорозмірних відстанях. Усе це допомагає оптичному комутатору залишатися надзвичайно компактним. 

Якщо дослідники змінюють проміжок між кремнієвим диском і золотим елементом на кілька нанометрів, фаза гібридної світлової хвилі затримується або випереджається. Коли фаза хвилі рекомбінується зі світлом, що поширюється в каналі у формі труби, два пучки призводять до того, що світло або перекривається, або продовжує рухатися в початковому напрямку. Це дозволяє за бажанням передавати світло на будь-які інші комп’ютерні мікросхеми. 

Наступні кроки команди включають скорочення відстані між кремнієвим диском і золотою мембраною, щоб зробити пристрій меншим. Це допомогло б ще більше зменшити втрати сигналу, зробивши комутатор ще більш корисним для різних галузей промисловості.