Ljus växer fram som det ledande fordonet för informationsbehandling i datorer och telekommunikationer när vårt behov av energieffektivitet och bandbredd ökar.

Redan guldstandarden för interkontinental kommunikation genom fiberoptik, fotoner ersätter elektroner som de viktigaste bärarna av information genom optiska nätverk och in i själva hjärtat av datorer själva.

Dock, det finns betydande tekniska hinder för att slutföra denna omvandling. Branschstandardkiselkretsar som stöder ljus är mer än en storleksordning större än moderna elektroniska transistorer. En lösning är att "komprimera" ljus med metalliska vågledare - men detta skulle inte bara kräva en ny tillverkningsinfrastruktur, men också hur ljuset interagerar med metaller på chips betyder att fotonisk information lätt går förlorad.

Nu har forskare i Australien och Tyskland utvecklat en modulär metod för att designa nanoskalaenheter för att hjälpa till att övervinna dessa problem, kombinerar det bästa av traditionell chipdesign med fotonisk arkitektur i en hybridstruktur. Deras forskning publiceras idag i Naturkommunikation .

"Vi har byggt en brygga mellan industristandard kisel fotoniska system och de metallbaserade vågledarna som kan göras 100 gånger mindre med bibehållen effektivitet, "sade huvudförfattaren Dr Alessandro Tuniz från University of Sydney Nano Institute and School of Physics.

Denna hybridmetod tillåter manipulation av ljus i nanoskala, mätt i miljarddels meter. Forskarna har visat att de kan uppnå datamanipulation vid 100 gånger mindre än ljusets våglängd som bär informationen.

"Denna typ av effektivitet och miniatyrisering kommer att vara avgörande för att transformera datorbearbetning till att vara baserat på ljus. Det kommer också att vara mycket användbart vid utveckling av kvantoptiska informationssystem, en lovande plattform för framtida kvantdatorer, "säger docent Stefano Palomba, en medförfattare från University of Sydney och Nanophotonics Leader på Sydney Nano.

"Så småningom förväntar vi oss att fotonisk information kommer att migrera till CPU:n, hjärtat i alla moderna datorer. En sådan vision har redan kartlagts av IBM. "

On-chip-nanometer-enheter som använder metaller (kända som "plasmoniska" enheter) möjliggör funktionalitet som ingen konventionell fotonisk enhet tillåter. Framför allt, de komprimerar effektivt ljus ner till några miljardelar av en meter och uppnår därmed enormt förbättrad, störningsfri, ljus-till-materia-interaktioner.

"Förutom att revolutionera den allmänna behandlingen, detta är mycket användbart för specialiserade vetenskapliga processer som nanospektroskopi, atomdetektorer och nanoskala detektorer, "sade Dr Tuniz också från Sydney Institute of Photonics and Optical Science.

Dock, deras universella funktionalitet försvårades av att man var beroende av ad hoc -design.

"Vi har visat att två separata mönster kan sammanfogas för att förbättra ett kör-av-the-mill-chip som tidigare inte gjorde något speciellt, "Dr Tuniz sa.

Detta modulära tillvägagångssätt möjliggör snabb rotation av ljuspolarisering i chipet och, på grund av den rotationen, tillåter snabbt nanofokusering till cirka 100 gånger mindre än våglängden.

Professor Martijn de Sterke är chef för Institute of Photonics and Optical Science vid University of Sydney. Han sade:"Framtiden för informationsbehandling kommer sannolikt att innebära fotoner som använder metaller som gör att vi kan komprimera ljus till nanoskala och integrera dessa konstruktioner i konventionell kiselfotonik."