Ny optisk switch kan føre til ultrahurtig optisk signalbehandling

Ingeniører hos Caltech har udviklet en switch – en af ​​de mest fundamentale komponenter i computeren – ved hjælp af optiske i stedet for elektroniske komponenter. Udviklingen kan hjælpe bestræbelserne på at opnå ultrahurtig optisk signalbehandling og databehandling.

Optiske enheder har kapacitet til at transmittere signaler langt hurtigere end elektriske enheder ved at bruge lysimpulser i stedet for elektriske signaler. Det er derfor, moderne enheder ofte anvender optik til at sende data; tænk for eksempel på fiberoptiske kabler, der giver meget hurtigere internethastigheder end konventionelle Ethernet-kabler.

Optikområdet har potentialet til at revolutionere databehandling ved at gøre mere, ved højere hastigheder og med mindre kraft. En af de største begrænsninger ved optikbaserede systemer i øjeblikket er imidlertid, at de på et vist tidspunkt stadig skal have elektronikbaserede transistorer for effektivt at behandle dataene.

Nu, ved at bruge kraften fra optisk ikke-linearitet (mere om det senere), har et team ledet af Alireza Marandi, assisterende professor i elektroteknik og anvendt fysik ved Caltech, skabt en helt optisk switch. En sådan switch kunne i sidste ende muliggøre databehandling ved hjælp af fotoner. Forskningen blev publiceret i tidsskriftet Nature Photonics den 28. juli.

Switche er blandt de enkleste komponenter i en computer. Et signal kommer ind i kontakten, og afhængigt af visse forhold tillader kontakten enten signalet at bevæge sig fremad eller standser det. Denne on/off-egenskab er grundlaget for logiske porte og binær beregning, og det er, hvad digitale transistorer er designet til at opnå. Men indtil dette nye værk har det vist sig svært at opnå den samme funktion med lys. I modsætning til elektroner i transistorer, som kraftigt kan påvirke hinandens flow og derved forårsage "switching", interagerer fotoner normalt ikke let med hinanden.

To ting gjorde gennembruddet muligt:​​det materiale, Marandis team brugte, og den måde, de brugte det på. Først valgte de et krystallinsk materiale kendt som lithiumniobat, en kombination af niob, lithium og oxygen, der ikke findes i naturen, men som i løbet af de sidste 50 år har vist sig at være essentiel for optikområdet. Materialet er i sagens natur ikke-lineært:På grund af den særlige måde, atomerne er arrangeret i krystallen, er de optiske signaler, som det producerer som output, ikke proportionale med inputsignalerne.

Mens lithiumniobatkrystaller er blevet brugt i optik i årtier, har fremskridt inden for nanofabrikationsteknikker for nylig gjort Marandi og hans team i stand til at skabe lithiumniobatbaserede integrerede fotoniske enheder, der giver mulighed for indespærring af lys i et lille rum. Jo mindre plads, jo større lysintensitet med samme mængde kraft. Som et resultat heraf kunne lysimpulserne, der bærer information gennem et sådant optisk system, give en stærkere ikke-lineær respons, end det ellers ville være muligt.

Marandi og hans kolleger begrænsede også lyset tidsmæssigt. I det væsentlige reducerede de varigheden af ​​lysimpulser og brugte et specifikt design, der ville holde impulserne korte, når de forplantede sig gennem enheden, hvilket resulterede i, at hver impuls havde højere spidseffekt.

Den kombinerede effekt af disse to taktikker - den spatiotemporale indeslutning af lys - er at øge styrken af ​​ikke-linearitet væsentligt for en given pulsenergi, hvilket betyder, at fotonerne nu påvirker hinanden meget stærkere.

Nettoresultatet er skabelsen af ​​en ikke-lineær splitter, hvor lysimpulserne dirigeres til to forskellige udgange baseret på deres energier, hvilket gør det muligt at skifte på mindre end 50 femtosekunder (et femtosekund er en kvadrilliontedel af et sekund). Til sammenligning tager avancerede elektroniske kontakter snesevis af picosekunder (et picosekund er en trilliontedel af et sekund), en forskel på mange størrelsesordener.

Artiklen har titlen "Femtojoule femtosecond all-optical switching in lithium niobate nanophotonics." + Udforsk yderligere

Lysets håndfasthed holder nøglen til bedre optisk kontrol