Konventionella datorprocessorer har i stort sett maxat sina "klockhastigheter" - ett mått på hur snabbt de kan slå på och av - på grund av begränsningarna med elektronisk omkoppling. Forskare som vill förbättra datorprocessorer har blivit fascinerade av potentialen hos helt optisk switchning, som använder ljus istället för elektricitet för att kontrollera hur data bearbetas och lagras på ett chip.
Forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory och Purdue University har nyligen skapat en ny typ av helt optisk switch som skulle kunna realisera denna potential.
"Tidigare iterationer av optiska omkopplare hade fasta omkopplingstider som "bakades in" i enheten vid dess tillverkning", säger Argonnes Soham Saha, en av laboratoriets Maria Goeppert Mayer postdoktorer som arbetar i Argonne Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science användaranläggning.
Saha och hans kollegor har gjort en optisk switch av två olika material, vart och ett med olika kopplingstid. Det ena materialet, aluminiumdopad zinkoxid, har en växlingstid i pikosekundintervallet, medan det andra materialet, plasmonisk titannitrid, har en kopplingstid mer än hundra gånger långsammare i nanosekundintervallet.
"När du använder optiska komponenter istället för elektroniska kretsar finns det inga resistiva-kapacitiva fördröjningar, vilket betyder att du i teorin skulle kunna använda dessa chips tusen gånger snabbare än konventionella datorchips," sa Saha.
Skillnaden i växlingstider mellan de två metallkomponenterna gör att växeln kan vara mer flexibel och överföra data snabbt samtidigt som den lagras effektivt, enligt Saha. "Switchens bimetalliska natur innebär att den kan användas för flera ändamål beroende på våglängden på ljuset du använder", sa han. "När du vill ha långsammare applikationer, som minneslagring, byter du med ett material; för snabbare applikationer byter du med det andra. Den här möjligheten är ny."
I den experimentella konfigurationen fungerar omkopplarens material som ljusabsorbenter eller reflektorer, beroende på driftvåglängden. När de tänds av en ljusstråle växlar de tillstånd.
Att kontrollera hastigheten på helt optiska switchar är avgörande för att optimera deras prestanda i olika applikationer. Dessa fynd lovar utvecklingen av mycket anpassningsbara och effektiva switchar inom områden som förbättrad fiberoptisk kommunikation, optisk datoranvändning och ultrasnabb vetenskap.
Möjligheten att justera växlingshastigheter för oss också närmare att överbrygga klyftan mellan optisk och elektronisk kommunikation, vilket möjliggör snabbare och effektivare dataöverföring.
Denna forskning ger värdefulla insikter i den grundläggande förståelsen för helt optiska switchar och banar väg för design av avancerade enheter för datorer och telekommunikation.
En artikel baserad på forskningen, "Enginering the temporal dynamics of all-optical switching with fast and slow materials," publiceras i Nature Communications .
Mer information: Soham Saha et al, Engineering the temporal dynamics of all-optical switching with fast and slow material, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41377-5
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Argonne National Laboratory
