Licht komt naar voren als het leidende voertuig voor informatieverwerking in computers en telecommunicatie naarmate onze behoefte aan energie-efficiëntie en bandbreedte toeneemt.

Reeds de gouden standaard voor intercontinentale communicatie via glasvezel, fotonen vervangen elektronen als de belangrijkste informatiedragers in optische netwerken en in het hart van computers zelf.

Echter, er blijven aanzienlijke technische belemmeringen om deze transformatie te voltooien. Industriestandaard siliciumcircuits die licht ondersteunen, zijn meer dan een orde van grootte groter dan moderne elektronische transistors. Een oplossing is om licht te 'comprimeren' met behulp van metalen golfgeleiders, maar hiervoor is niet alleen een nieuwe productie-infrastructuur nodig, maar ook de manier waarop licht interageert met metalen op chips betekent dat fotonische informatie gemakkelijk verloren gaat.

Nu hebben wetenschappers in Australië en Duitsland een modulaire methode ontwikkeld om apparaten op nanoschaal te ontwerpen om deze problemen op te lossen. het combineren van het beste van traditioneel chipontwerp met fotonische architectuur in een hybride structuur. Hun onderzoek is vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"We hebben een brug geslagen tussen industriestandaard silicium-fotonische systemen en de op metaal gebaseerde golfgeleiders die 100 keer kleiner kunnen worden gemaakt met behoud van efficiëntie, " zei hoofdauteur Dr. Alessandro Tuniz van het Nano Institute en School of Physics van de Universiteit van Sydney.

Deze hybride benadering maakt de manipulatie van licht op nanoschaal mogelijk, gemeten in miljardsten van een meter. De wetenschappers hebben aangetoond dat ze gegevensmanipulatie kunnen bereiken die 100 keer kleiner is dan de golflengte van het licht dat de informatie draagt.

"Dit soort efficiëntie en miniaturisatie zal essentieel zijn bij het transformeren van computerverwerking om op licht te worden gebaseerd. Het zal ook zeer nuttig zijn bij de ontwikkeling van kwantumoptische informatiesystemen, een veelbelovend platform voor toekomstige kwantumcomputers, " zei universitair hoofddocent Stefano Palomba, een co-auteur van de Universiteit van Sydney en Nanophotonics Leader bij Sydney Nano.

"Uiteindelijk verwachten we dat fotonische informatie naar de CPU zal migreren, het hart van elke moderne computer. Zo'n visie is al door IBM in kaart gebracht."

On-chip apparaten op nanometerschaal die metalen gebruiken (bekend als "plasmonische" apparaten) zorgen voor functionaliteit die geen enkel conventioneel fotonisch apparaat mogelijk maakt. Met name, ze comprimeren licht efficiënt tot enkele miljardsten van een meter en bereiken zo enorm verbeterde, storingsvrij, interacties tussen licht en materie.

"Naast een revolutie in de algemene verwerking, dit is erg handig voor gespecialiseerde wetenschappelijke processen zoals nano-spectroscopie, detectie op atomaire schaal en detectoren op nanoschaal, " zei Dr. Tuniz ook van het Sydney Institute of Photonics and Optical Science.

Echter, hun universele functionaliteit werd belemmerd door een afhankelijkheid van ad-hocontwerpen.

"We hebben aangetoond dat twee afzonderlijke ontwerpen kunnen worden samengevoegd om een ​​doorsnee chip te verbeteren die voorheen niets bijzonders deed. ' zei dokter Tuniz.

Deze modulaire benadering zorgt voor een snelle rotatie van lichtpolarisatie in de chip en, vanwege die rotatie, maakt nanofocussering snel mogelijk tot ongeveer 100 keer minder dan de golflengte.

Professor Martijn de Sterke is directeur van het Institute of Photonics and Optical Science aan de University of Sydney. Hij zei:"De toekomst van informatieverwerking zal waarschijnlijk betrekking hebben op fotonen die metalen gebruiken waarmee we licht kunnen comprimeren tot op nanoschaal en deze ontwerpen kunnen integreren in conventionele siliciumfotonica."