Forskerhold udvikler en lille lavenergi-enhed til hurtigt at omdirigere lys i computerchips

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres kolleger har udviklet en optisk switch, der dirigerer lys fra en computerchip til en anden på kun 20 milliardtedele af et sekund – hurtigere end nogen anden lignende enhed. Den kompakte switch er den første, der fungerer ved spændinger, der er lave nok til at blive integreret på billige siliciumchips og omdirigerer lys med meget lavt signaltab.

Switchens rekordstore ydeevne er et stort nyt skridt i retning af at bygge en computer, der bruger lys i stedet for elektricitet til at behandle information. At stole på partikler af lys - fotoner - til at transportere data i en computer giver flere fordele i forhold til elektronisk kommunikation. Fotoner rejser hurtigere end elektroner og spilder ikke energi ved at opvarme computerkomponenterne. Håndtering af denne spildvarme er en stor barriere for at forbedre computerens ydeevne. Lyssignaler er blevet brugt i årtier til at transmittere information over store afstande ved hjælp af optiske fibre, men fibrene fylder for meget til at blive brugt til at transportere data over en computerchip.

Den nye switch kombinerer guld- og siliciumoptisk i nanometerskala, elektriske og mekaniske komponenter, alt sammen tæt pakket, at kanalisere lys ind og ud af en miniatureracerbane, ændre dens hastighed, og ændre dens kørselsretning. (En nanometer er en milliardtedel af en meter, eller omkring en hundrede tusindedel af bredden af ​​et menneskehår.) Det NIST-ledede internationale team beskriver enheden online i dag i Videnskab .

Enheden har utallige applikationer, bemærker undersøgelsens medforfatter Christian Haffner fra NIST, ETH Zürich og University of Maryland. I førerløse biler, kontakten kunne hurtigt omdirigere en enkelt lysstråle, der konstant skal scanne alle dele af vejbanen for at måle afstanden til andre biler og fodgængere. Enheden kunne også gøre det nemmere at bruge mere kraftfulde lysbaserede kredsløb i stedet for elektricitetsbaserede i neurale netværk. Disse er kunstige intelligenssystemer, der simulerer, hvordan neuroner i den menneskelige hjerne træffer beslutninger om så komplekse opgaver som mønstergenkendelse og risikostyring.

Den nye teknologi bruger også meget lidt energi til at omdirigere lyssignaler. Denne funktion kan hjælpe med at realisere drømmen om kvanteberegning. En kvantecomputer behandler data lagret i de subtile indbyrdes forhold mellem specielt forberedte par af subatomære partikler. Imidlertid, disse forhold er ekstremt skrøbelige, kræver, at en computer arbejder ved ultralave temperaturer og lav effekt, så partikelparrene forstyrres mindst muligt. Fordi den nye optiske switch kræver lidt energi – i modsætning til tidligere optiske switche – kan den blive en integreret del af en kvantecomputer.

Haffner og hans kolleger, som inkluderer Vladimir Aksyuk og Henri Lezec fra NIST, sige, at deres resultater kan komme som en overraskelse for mange i det videnskabelige samfund, fordi resultaterne modsiger langvarig tro. Nogle forskere har troet, at opto-elektromekaniske kontakter ikke ville være praktiske, fordi de ville være omfangsrige, fungerer for langsomt og kræver for høje spændinger til, at komponenterne i en computerchip kan tåle.

Kontakten udnytter lysets bølgenatur. Når to identiske lysbølger mødes, de kan overlejre sådan, at toppen af ​​den ene bølge flugter med eller forstærker toppen af ​​den anden, skabe et lyst mønster kendt som konstruktiv interferens. De to bølger kan også være nøjagtigt ude af trit, så den ene bølges dal ophæver toppen af ​​den anden, resulterer i et mørkt mønster - destruktiv interferens.

I teamets opsætning, en lysstråle er begrænset til at rejse inde i en miniaturemotorvej - en rørformet kanal kendt som en bølgeleder. Denne lineære motorvej er designet, så den har en frakørsel - noget af lyset kan gå ud i et racerbaneformet hulrum, kun få nanometer væk, ætset ind i en siliciumskive. Hvis lyset har den helt rigtige bølgelængde, den kan piske rundt på racerbanen mange gange, før den forlader siliciumhulrummet.

Switchen har en anden afgørende komponent:en tynd guldmembran, der er suspenderet kun et par snesevis af nanometer over siliciumskiven. Noget af lyset, der bevæger sig på siliciumvæddeløbsbanen, siver ud og rammer membranen, inducerer grupper af elektroner på membranens overflade til at oscillere. Disse svingninger, kendt som plasmoner, er en slags hybrid mellem en lysbølge og en elektronbølge:De oscillerende elektroner ligner den indkommende lysbølge, idet de vibrerer med samme frekvens, men de har en meget kortere bølgelængde. Den kortere bølgelængde lader forskere manipulere plasmonerne over afstande på nanoskala, meget kortere end længden af ​​den oprindelige lysbølge, før vi konverterer svingningerne tilbage til lys. Det her, på tur, gør det muligt for den optiske kontakt at forblive ekstremt kompakt.

Ved kun at ændre bredden af ​​mellemrummet mellem siliciumskiven og guldmembranen med nogle få nanometer, forskerne kunne forsinke eller fremskynde fasen af ​​den hybride lysbølge - det tidspunkt, hvor bølgen når en kam eller dal. Selv små variationer i spaltens bredde, hvilket holdet opnåede ved elektrostatisk at bøje guldmembranen, ændrede fasen dramatisk.

Afhængigt af hvor meget holdet havde avanceret eller forsinket bølgens fase, når det rekombinerede med lys, der stadig rejser på den rørformede motorvej, de to stråler interfererede enten konstruktivt eller destruktivt (se animation). Hvis lysstrålerne matcher for at interferere konstruktivt, lyset vil fortsætte i sin oprindelige retning, rejser ned ad røret. Men hvis lysstrålerne forstyrrer destruktivt, annullere hinanden, den vej er spærret. I stedet, lyset skal bevæge sig i en anden retning, bestemt af orienteringen af ​​andre bølgeledere, eller ruter, placeret tæt på den spærrede vej. På denne måde lyset kan skiftes til enhver af hundredvis af andre computerchips.

Forskere havde engang troet, at et plasmonisk system i høj grad ville dæmpe lyssignaler, fordi fotoner ville trænge ind i det indre af guldmembranen, hvor elektroner ville absorbere meget af lysenergien.

Men forskerne har nu bevist, at den antagelse er forkert. Enhedens kompakthed og et design, der sikrede, at få fotoner ville trænge ind i membranen, resulterede i et tab på kun 2,5 % af lyssignalet, sammenlignet med 60 % ved tidligere skift. Det sætter kontakten, selvom det stadig er en prototype, inden for rækkevidde af kommercielle applikationer.

Holdet arbejder nu på at gøre enheden endnu mindre ved at forkorte afstanden mellem siliciumskiven og guldmembranen. Dette vil yderligere reducere signaltab, gør teknologien endnu mere attraktiv for industrien.