Ett team av forskare ledda av Osaka University och National Taiwan University skapade ett system av kiselresonatorer i nanoskala som kan fungera som logiska grindar för ljuspulser. Detta arbete kan leda till nästa generation av kiselbaserade datorprocessorer som överbryggar klyftan mellan elektroniska och optiska signaler.

Kisel är bland de rikliga grundämnena på vår planet – och är grunden för all modern datoranvändning. Det är, från smartphones till stordatorer, all beräkning sker baserat på elektriska signaler som strömmar genom kiseltransistorer. Att göra omkopplare och logiska grindar från elektroniska signaler är enkelt, eftersom spänningar kan styra strömflödet i andra ledningar. Dock, data på internet skickas i första hand som ljuspulser över fiberoptiska kablar. Möjligheten att styra både data och logik helt med ljus på kisel skulle kunna leda till mycket snabbare enheter.

Utmaningen är att ljuspartiklar, kallas fotoner, knappast interagerar med varandra, så pulser kan inte slå på eller av varandra för att utföra logiska uppgifter. Icke-linjär optik är det studieområde som arbetar med att hitta material där ljusstrålar interagerar på något sätt. Tyvärr, olinjäriteten hos enkristallkisel är extremt svag, så förr i tiden, det var nödvändigt att använda mycket intensiva lasrar.

Nu, forskare vid Osaka University och National Taiwan University har ökat olinjäriteten hos kisel 100, 000 gånger genom att skapa en nanooptisk resonator, så att helt optiska omkopplare kan manövreras med en kontinuerlig lågeffektlaser. De åstadkom detta genom att tillverka små resonatorer från block av kisel mindre än 200 nm i storlek. Laserljus med en våglängd på 592 nm kan fångas inuti och snabbt värma upp blocken, baserad på principen om Mie resonans. "En Mie-resonans uppstår när storleken på en nanopartikel matchar en multipel av ljusets våglängd, ", säger författaren Yusuke Nagasaki.

Med ett nanoblock i ett termooptiskt inducerat varmt tillstånd, en andra laserpuls vid 543 nm kan passera nästan utan spridning, vilket inte är fallet när den första lasern är avstängd. Blocket kan svalna med avslappningstider mätt i nanosekunder. Denna stora och snabba olinjäritet leder till potentiella tillämpningar för helt optisk GHz-styrning i nanoskala. "Kisel förväntas förbli det valda materialet för optiska integrerade kretsar och optiska enheter, ", säger seniorförfattaren Junichi Takahara.

Det nuvarande arbetet möjliggör optiska switchar som tar mycket mindre plats än tidigare försök. Detta framsteg öppnar vägen för direkt integrering på chipet samt superupplöst bildbehandling.