Konstnärens skildring av nyligen demonstrerade nano-opto-elektromekaniska omkopplare eftersom de kan användas för framtida filtrering av färger för avkänning eller kommunikation. Inom kommunikation, mängden överförd information per kanal kan ökas genom att bära data inte bara med en färg utan med flera färger. Än, de olika färgkanalerna måste dirigeras på begäran till olika slutanvändare. Bilden visar hur detta kan uppnås på skalan 1 miljonedel av en meter (1 mikrometer) med hjälp av omkopplarna. Vitt ljus kan innehålla, till exempel, blått ljus för röstmeddelanden, rött för video, och grönt för text. Alla dessa filtreras av omkopplarna så att röd, blå och gröna färgkanaler dirigeras till olika utsedda slutanvändare. Genom att applicera små spänningar kan forskare byta färger på begäran, styra vilken data som når vilken slutanvändare. Kredit:S. Kelley/NIST
Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras kollegor har utvecklat en optisk switch som leder ljus från ett datorchip till ett annat på bara 20 miljarder sekunder - snabbare än någon annan liknande enhet. Den kompakta switchen är den första som fungerar vid spänningar som är tillräckligt låga för att integreras på billiga kiselchips och omdirigerar ljus med mycket låg signalförlust.
Switchens rekordprestanda är ett stort nytt steg mot att bygga en dator som använder ljus istället för elektricitet för att bearbeta information. Att förlita sig på ljuspartiklar - fotoner - för att transportera data i en dator erbjuder flera fördelar jämfört med elektronisk kommunikation. Fotoner färdas snabbare än elektroner och slösar inte energi genom att värma upp datorkomponenterna. Att hantera den spillvärmen är ett stort hinder för att förbättra datorns prestanda. Ljussignaler har använts i decennier för att överföra information över stora avstånd med hjälp av optiska fibrer, men fibrerna tar upp för mycket utrymme för att användas för att transportera data över ett datorchip.
Den nya switchen kombinerar guld- och kiseloptik i nanometerskala, elektriska och mekaniska komponenter, allt tätt packat, att kanalisera ljus in och ut från en miniatyrbana, ändra dess hastighet, och ändra dess färdriktning. (En nanometer är en miljarddels meter, eller ungefär en hundra tusendels bredd av ett människohår.) Det NIST-ledda internationella teamet beskriver enheten online idag i Vetenskap .
Enheten har otaliga applikationer, konstaterar studiens medförfattare Christian Haffner från NIST, ETH Zürich och University of Maryland. I förarlösa bilar, omkopplaren kan snabbt omdirigera en enda ljusstråle som kontinuerligt måste skanna alla delar av vägbanan för att mäta avståndet till andra bilar och fotgängare. Enheten kan också göra det lättare att använda mer kraftfulla ljusbaserade kretsar istället för elbaserade i neurala nätverk. Dessa är artificiell intelligenssystem som simulerar hur neuroner i den mänskliga hjärnan fattar beslut om så komplexa uppgifter som mönsterigenkänning och riskhantering.
Den nya tekniken använder också väldigt lite energi för att omdirigera ljussignaler. Den här funktionen kan hjälpa till att förverkliga drömmen om kvantberäkning. En kvantdator behandlar data som lagras i de subtila förbindelserna mellan specialberedda par av subatomära partiklar. Dock, dessa relationer är extremt ömtåliga, kräver att en dator fungerar vid ultralåga temperaturer och låg effekt så att partikelparen störs så lite som möjligt. Eftersom den nya optiska omkopplaren kräver lite energi - till skillnad från tidigare optiska omkopplare - kan den bli en integrerad del av en kvantdator.
Haffner och hans kollegor, som inkluderar Vladimir Aksyuk och Henri Lezec från NIST, säga att deras resultat kan komma som en överraskning för många i det vetenskapliga samfundet eftersom resultaten motsäger långvariga övertygelser. Vissa forskare har trott att opto-elektromekaniska omkopplare inte skulle vara praktiska eftersom de skulle vara skrymmande, fungerar för långsamt och kräver för höga spänningar för att komponenterna i ett datorchip ska tåla.
Strömställaren utnyttjar ljusets vågkaraktär. När två identiska ljusvågor möts, de kan överlagras så att toppen i en våg anpassar eller förstärker toppen på den andra, skapa ett ljust mönster som kallas konstruktiv störning. De två vågorna kan också vara exakt i otakt, så att dalen av en våg upphäver toppen av den andra, resulterar i ett mörkt mönster — destruktiv störning.
I teamets uppställning, en ljusstråle är begränsad till att resa inuti en miniatyrväg-en rörformad kanal som kallas en vågledare. Den här linjära motorvägen är designad så att den har en avfart – en del av ljuset kan komma ut i en racerbanaformad hålighet, bara några nanometer bort, etsat i en kiselskiva. Om ljuset har precis rätt våglängd, den kan piska runt racerbanan många gånger innan den lämnar kiselhåligheten.
Switchen har en annan avgörande komponent:ett tunt guldmembran som hänger upp bara några tiotals nanometer ovanför kiselskivan. En del av ljuset som färdas i kiselbanan läcker ut och träffar membranet, inducerar grupper av elektroner på membranets yta att svänga. Dessa svängningar, känd som plasmoner, är en slags hybrid mellan en ljusvåg och en elektronvåg:De oscillerande elektronerna liknar den inkommande ljusvågen genom att de vibrerar med samma frekvens, men de har en mycket kortare våglängd. Den kortare våglängden låter forskare manipulera plasmonerna över nanoskala avstånd, mycket kortare än längden på den ursprungliga ljusvågen, innan svängningarna omvandlas till ljus. Detta, i tur och ordning, gör att den optiska omkopplaren förblir extremt kompakt.
Genom att ändra gapet mellan kiselskivan och guldmembranet med bara några nanometer, forskarna kan fördröja eller avancera fasen av hybridljusvågen - den tidpunkt då vågen når en topp eller dal. Även små variationer i gapets bredd, vilket laget uppnådde genom att elektrostatiskt böja guldmembranet, förändrade fasen dramatiskt.
Konstnärs skildring av nyligen demonstrerade nano-opto-elektromekaniska switchar eftersom de kan användas för framtida filtrering av färger för avkänning eller kommunikation. Inom kommunikation, mängden sänd information per kanal kan ökas genom att överföra data inte bara med en färg utan med flera färger. Än, de olika färgkanalerna måste vid behov skickas till olika slutanvändare. Bilden visar hur detta kan uppnås på skalan 1 miljonedel av en meter (1 mikrometer) med hjälp av omkopplarna. Vitt ljus kan innehålla, till exempel, blått ljus för röstmeddelanden, rött för video, och grönt för text. Alla dessa filtreras av omkopplarna så att röd, blå och gröna färgkanaler dirigeras till olika utsedda slutanvändare. Genom att applicera små spänningar kan forskare byta färger på begäran, styra vilken data som når vilken slutanvändare. Kredit:S. Kelley/NIST
Beroende på hur mycket laget hade avancerat eller försenat vågens fas, när det rekombinerades med ljus som fortfarande rör sig på den rörformade motorvägen, de två strålarna störde antingen konstruktivt eller destruktivt (se animation). Om ljusstrålarna matchar för att störa konstruktivt, ljuset kommer att fortsätta i sin ursprungliga riktning, färdas ner i röret. Men om ljusstrålarna stör destruktivt, avbryter varandra, den vägen är blockerad. Istället, ljuset måste röra sig i en annan riktning, bestäms av orienteringen av andra vågledare, eller rutter, placeras nära den blockerade vägen. På det här sättet, ljuset kan växlas till vilket som helst av hundratals andra datorchips.
Forskare hade en gång trott att ett plasmoniskt system skulle dämpa ljussignaler kraftigt eftersom fotoner skulle penetrera det inre av guldmembranet, där elektroner skulle absorbera mycket av ljusenergin.
Men forskarna har nu bevisat att antagandet är felaktigt. Enhetens kompakthet och en design som säkerställde att få fotoner skulle penetrera membranet resulterade i en förlust på bara 2,5 % av ljussignalen, jämfört med 60% med tidigare switchar. Det sätter omkopplaren, även om det fortfarande är en prototyp, inom räckhåll för kommersiella applikationer.
Teamet arbetar nu för att göra enheten ännu mindre genom att förkorta avståndet mellan kiselskivan och guldmembranet. Detta skulle ytterligare minska signalförlusten, vilket gör tekniken ännu mer tilltalande för industrin.
