Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun collega's hebben een optische schakelaar ontwikkeld die licht van de ene computerchip naar de andere leidt in slechts 20 miljardste van een seconde - sneller dan enig ander vergelijkbaar apparaat. De compacte schakelaar is de eerste die werkt op spanningen die laag genoeg zijn om te worden geïntegreerd in goedkope siliciumchips en stuurt het licht om met een zeer laag signaalverlies.

De recordbrekende prestaties van de switch zijn een belangrijke nieuwe stap in de richting van het bouwen van een computer die licht in plaats van elektriciteit gebruikt om informatie te verwerken. Vertrouwen op lichtdeeltjes - fotonen - om gegevens binnen een computer te transporteren, biedt verschillende voordelen ten opzichte van elektronische communicatie. Fotonen reizen sneller dan elektronen en verspillen geen energie door de computercomponenten op te warmen. Het beheren van die afvalwarmte is een belangrijke belemmering voor het verbeteren van de computerprestaties. Lichtsignalen worden al tientallen jaren gebruikt om informatie over grote afstanden te verzenden met behulp van optische vezels, maar de vezels nemen te veel ruimte in beslag om te worden gebruikt om gegevens over een computerchip te vervoeren.

De nieuwe schakelaar combineert optisch goud en silicium op nanometerschaal, elektrische en mechanische componenten, allemaal dicht opeengepakt, om licht in en uit een miniatuur racebaan te kanaliseren, de snelheid veranderen, en van rijrichting veranderen. (Een nanometer is een miljardste van een meter, of ongeveer honderdduizendste van de breedte van een mensenhaar.) Het door NIST geleide internationale team beschrijft het apparaat vandaag online in Wetenschap .

Het apparaat heeft talloze toepassingen, aantekeningen studie co-auteur Christian Haffner van NIST, ETH Zürich en de Universiteit van Maryland. In auto's zonder bestuurder, de schakelaar kan snel een enkele lichtstraal omleiden die continu alle delen van de rijbaan moet scannen om de afstand tot andere auto's en voetgangers te meten. Het apparaat zou het ook gemakkelijker kunnen maken om krachtigere op licht gebaseerde circuits te gebruiken in plaats van op elektriciteit gebaseerde circuits in neurale netwerken. Dit zijn kunstmatige-intelligentiesystemen die simuleren hoe neuronen in het menselijk brein beslissingen nemen over complexe taken als patroonherkenning en risicobeheer.

De nieuwe technologie gebruikt ook heel weinig energie om lichtsignalen om te leiden. Deze functie kan helpen de droom van quantum computing te realiseren. Een kwantumcomputer verwerkt gegevens die zijn opgeslagen in de subtiele onderlinge relaties tussen speciaal geprepareerde paren subatomaire deeltjes. Echter, deze relaties zijn uiterst fragiel, vereist dat een computer werkt bij ultralage temperaturen en een laag vermogen, zodat de deeltjesparen zo min mogelijk worden verstoord. Omdat de nieuwe optische schakelaar weinig energie nodig heeft - in tegenstelling tot eerdere optische schakelaars - zou hij een integraal onderdeel van een kwantumcomputer kunnen worden.

Haffner en zijn collega's, waaronder Vladimir Aksyuk en Henri Lezec van NIST, zeggen dat hun bevindingen voor velen in de wetenschappelijke gemeenschap als een verrassing kunnen komen, omdat de resultaten in tegenspraak zijn met lang gekoesterde overtuigingen. Sommige onderzoekers hebben gedacht dat opto-elektromechanische schakelaars niet praktisch zouden zijn omdat ze omvangrijk zouden zijn, werken te langzaam en vereisen spanningen die te hoog zijn om de componenten van een computerchip te verdragen.

De schakelaar maakt gebruik van het golfkarakter van licht. Wanneer twee identieke lichtgolven elkaar ontmoeten, ze kunnen superponeren zodat de top van de ene golf de top van de andere uitlijnt of versterkt, het creëren van een helder patroon dat bekend staat als constructieve interferentie. De twee golven kunnen ook precies uit de pas lopen, zodat de vallei van de ene golf de top van de andere opheft, resulterend in een donker patroon—destructieve interferentie.

In de opstelling van het team, een lichtstraal is beperkt tot reizen binnen een miniatuursnelweg - een buisvormig kanaal dat bekend staat als een golfgeleider. Deze lineaire snelweg is zo ontworpen dat hij een afrit heeft - een deel van het licht kan uitmonden in een racebaanvormige holte, op slechts een paar nanometer afstand, geëtst in een siliciumschijf. Als het licht precies de juiste golflengte heeft, het kan vele malen rond de racebaan zwiepen voordat het de siliconenholte verlaat.

De schakelaar heeft nog een cruciaal onderdeel:een dun gouden membraan dat slechts enkele tientallen nanometers boven de siliciumschijf hangt. Een deel van het licht dat door de siliciumbaan reist, lekt naar buiten en valt op het membraan. waardoor groepen elektronen op het oppervlak van het membraan gaan oscilleren. Deze trillingen, bekend als plasmonen, zijn een soort hybride tussen een lichtgolf en een elektronengolf:de oscillerende elektronen lijken op de inkomende lichtgolf doordat ze met dezelfde frequentie trillen, maar ze hebben een veel kortere golflengte. Door de kortere golflengte kunnen onderzoekers de plasmonen manipuleren over afstanden op nanoschaal, veel korter dan de lengte van de oorspronkelijke lichtgolf, voordat de trillingen weer in licht worden omgezet. Dit, beurtelings, zorgt ervoor dat de optische schakelaar extreem compact blijft.

Door de breedte van de opening tussen de siliciumschijf en het gouden membraan met slechts enkele nanometers te veranderen, de onderzoekers konden de fase van de hybride lichtgolf vertragen of vervroegen - het tijdstip waarop de golf een kam of vallei bereikt. Zelfs minuscule variaties in de breedte van de opening, die het team bereikte door het gouden membraan elektrostatisch te buigen, veranderde de fase drastisch.

Afhankelijk van hoeveel het team de fase van de golf had gevorderd of vertraagd, toen het recombineerde met licht dat nog steeds op de buisvormige snelweg reisde, de twee bundels interfereerden constructief of destructief (zie animatie). Als de lichtbundels overeenkomen om constructief te interfereren, het licht gaat verder in zijn oorspronkelijke richting, door de buis reizen. Maar als de lichtstralen destructief interfereren, elkaar opheffen, dat pad is geblokkeerd. In plaats daarvan, het licht moet in een andere richting bewegen, bepaald door de oriëntatie van andere golfgeleiders, of routes, dicht bij het geblokkeerde pad geplaatst. Op deze manier, het licht kan naar believen worden geschakeld naar een van de honderden andere computerchips.

Wetenschappers hadden ooit gedacht dat een plasmonsysteem lichtsignalen sterk zou verzwakken omdat fotonen het binnenste van het gouden membraan zouden binnendringen, waar elektronen veel van de lichtenergie zouden absorberen.

Maar de onderzoekers hebben nu bewezen dat die veronderstelling onjuist was. De compactheid van het apparaat en een ontwerp dat ervoor zorgde dat weinig fotonen het membraan zouden binnendringen resulteerden in een verlies van slechts 2,5% van het lichtsignaal, vergeleken met 60% met eerdere schakelaars. Dat zet de schakelaar hoewel nog steeds een prototype, binnen het bereik van commerciële toepassingen.

Het team werkt nu aan het nog kleiner maken van het apparaat door de afstand tussen de siliciumschijf en het gouden membraan te verkleinen. Dit zou het signaalverlies verder verminderen, waardoor de technologie nog aantrekkelijker wordt voor de industrie.