Ingenjörer på Caltech har utvecklat en switch – en av de mest grundläggande komponenterna i datoranvändning – som använder optiska, snarare än elektroniska, komponenter. Utvecklingen kan hjälpa ansträngningarna att uppnå ultrasnabb helt optisk signalbehandling och beräkning.

Optiska enheter har kapacitet att överföra signaler mycket snabbare än elektriska enheter genom att använda ljuspulser snarare än elektriska signaler. Det är därför moderna enheter ofta använder optik för att skicka data; tänk till exempel på fiberoptiska kablar som ger mycket snabbare internethastigheter än konventionella Ethernet-kablar.

Optikområdet har potential att revolutionera datoranvändning genom att göra mer, med högre hastigheter och med mindre kraft. En av de största begränsningarna för optikbaserade system för närvarande är dock att de vid en viss tidpunkt fortfarande behöver ha elektronikbaserade transistorer för att effektivt bearbeta data.

Nu, med hjälp av kraften i optisk olinjäritet (mer om det senare), har ett team ledd av Alireza Marandi, biträdande professor i elektroteknik och tillämpad fysik vid Caltech, skapat en helt optisk switch. En sådan switch kan så småningom möjliggöra databehandling med hjälp av fotoner. Forskningen publicerades i tidskriften Nature Photonics den 28 juli.

Switchar är bland de enklaste komponenterna i en dator. En signal kommer in i strömbrytaren och, beroende på vissa förhållanden, låter strömbrytaren antingen signalen gå framåt eller stoppar den. Den på/av-egenskapen är grunden för logiska grindar och binär beräkning, och är vad digitala transistorer designades för att åstadkomma. Men fram till detta nya arbete har det visat sig svårt att uppnå samma funktion med ljus. Till skillnad från elektroner i transistorer, som starkt kan påverka varandras flöde och därigenom orsaka "växling", interagerar fotoner vanligtvis inte lätt med varandra.

Två saker gjorde genombrottet möjligt:​​materialet som Marandis team använde och sättet på vilket de använde det. Först valde de ett kristallint material som kallas litiumniobat, en kombination av niob, litium och syre som inte förekommer i naturen men som under de senaste 50 åren har visat sig vara avgörande för optikområdet. Materialet är till sin natur olinjärt:På grund av det speciella sätt som atomerna är ordnade i kristallen är de optiska signalerna som den producerar som utsignaler inte proportionella mot ingångssignalerna.

Medan litiumniobatkristaller har använts i optik i decennier, på senare tid har framsteg inom nanotillverkningstekniker gjort det möjligt för Marandi och hans team att skapa litiumniobatbaserade integrerade fotoniska enheter som tillåter instängning av ljus i ett litet utrymme. Ju mindre utrymme, desto större ljusintensitet med samma mängd kraft. Som ett resultat kan de ljuspulser som bär information genom ett sådant optiskt system ge ett starkare olinjärt svar än vad som annars skulle vara möjligt.

Marandi och hans kollegor begränsade också ljuset temporärt. I huvudsak minskade de ljuspulsernas varaktighet och använde en specifik design som skulle hålla pulserna korta när de fortplantade sig genom enheten, vilket resulterade i att varje puls hade högre toppeffekt.

Den kombinerade effekten av dessa två taktik – den spatiotemporala inneslutningen av ljus – är att avsevärt förbättra styrkan av olinjäritet för en given pulsenergi, vilket innebär att fotonerna nu påverkar varandra mycket starkare.

Nettoresultatet är skapandet av en olinjär splitter där ljuspulserna dirigeras till två olika utgångar baserat på deras energier, vilket gör att omkoppling sker på mindre än 50 femtosekunder (en femtosekund är en kvadriljondels sekund). Som jämförelse tar toppmoderna elektroniska omkopplare tiotals pikosekunder (en pikosekund är en biljondels sekund), en skillnad i många storleksordningar.

Uppsatsen har titeln "Femtojoule femtosecond all-optical switching in litium niobate nanophotonics." + Utforska vidare

Ljusets handenhet håller nyckeln till bättre optisk kontroll