Оптичний перемикач може перенаправляти світло між мікрочипами дуже швидко

Дослідники з Національного інституту стандартів і технологій (NIST) створили оптичний перемикач, який здатний перенаправляти світло між мікрочипами за 20 мільярдних часток секунди. Новий пристрій швидший за будь-які подібні пристрої і може бути інтегрований у низьковольтні кремнієві мікрочипи. Коли він перенаправляє світло, мікрочип зазнає дуже низьких втрат сигналу.

Потенційні застосування

Новий мікрочип матиме великі наслідки для обчислювальної техніки і допоможе створити комп’ютер, який обробляє інформацію за допомогою світла, а не електрики. Є кілька переваг у використанні фотонів для передачі даних, включаючи швидшу передачу і енергоефективність. При використанні електрики компоненти комп’ютера нагріваються, що призводить до витрат енергії і обмежує продуктивність комп’ютера.

Новий перемикач використовує нанометровому рівні золоті та кремнієві оптичні, електричні та механічні компоненти. Вони всі щільно упаковані і направляють світло у канал і з нього. Це впливає на його швидкість і напрямок руху.

Пристрій був описаний міжнародною командою під керівництвом NIST у Science.

За словами співавтора Кристіана Хаффнера з NIST, ETH Цюриха і Університету Меріленду, перемикач має великий потенціал для застосування. Його можна використовувати у безпілотних транспортних засобах для перенаправлення світлових променів, які сканують дорогу, щоб виміряти відстань до інших транспортних засобів і пішоходів. Перемикач також можна використовувати у нейронних мережах, використовуючи більш потужні світлові схеми замість електричних.

Однією з основних переваг нового перемикача є те, що він використовує дуже мало енергії для перенаправлення світлових сигналів, що може бути дуже важливим у квантових обчисленнях. Квантовий комп’ютер має крихкий зв’язок між парами субатомних частинок, які обробляють дані. Через свою крихкість комп’ютер повинен працювати при дуже низьких температурах і низькій потужності, щоб не порушити пару частинок. Оскільки новий перемикач вимагає значно менше енергії, він може стати важливим аспектом квантових обчислень.

Виклик довгостроковим переконанням

За словами Хаффнера та його колег Володимира Акисука і Генрі Лезека з NIST, нові відкриття суперечать багатьом довгостроковим переконанням наукової спільноти. Багато дослідників вважають, що такі перемикачі не будуть практичними через їх громіздкий розмір і будуть працювати при високих напругах, що призведе до повільної продуктивності.

Установка включає в себе трубчастий канал, називається хвилеводом, і світловий промінь, який проходить усередині нього. Там є виїзд, де частина світла виходить у порожнину, яка знаходиться на кілька нанометрів.

Перемикач також використовує тонку золоту мембрану, яка підвішена на кілька десятків нанометрів над кремнієвим диском, який має порожнину, вирізану в ньому. Коли світло рухається, частина його витікає і потрапляє на мембрану. Ця дія викликає групи електронів, які знаходяться на поверхні мембрани, до коливань. Коливання називаються плазмони і являють собою поєднання світлової хвилі та електрон-хвилі. Коливаючись електрони мають коротшу довжину хвилі, що дозволяє дослідникам маніпулювати плазмонами на нанорозмірах. Все це допомагає оптичному перемикачу залишатися дуже компактним.

Якщо дослідники змінюють зазор між кремнієвим диском і золотою мембраною на кілька нанометрів, фаза гібридної світлової хвилі затримується або прискорюється. Коли фаза хвилі знову поєднується зі світлом, яке рухається у трубчастому каналі, два промені викликають світло, яке або блокується, або продовжує рухатися у своєму початковому напрямку. Це дозволяє світлу перенаправлятися на будь-який інший комп’ютерний чип за бажанням.

Наступними кроками команди є скорочення відстані між кремнієвим диском і золотою мембраною, щоб зробити пристрій меншим. Це допоможе ще більше зменшити втрати сигналу, зробивши перемикач ще більш корисним для різних галузей.