Ingenieurs van Caltech hebben een switch ontwikkeld - een van de meest fundamentele componenten van computergebruik - met optische in plaats van elektronische componenten. De ontwikkeling kan bijdragen aan het bereiken van ultrasnelle, volledig optische signaalverwerking en -verwerking.

Optische apparaten kunnen signalen veel sneller verzenden dan elektrische apparaten door lichtpulsen te gebruiken in plaats van elektrische signalen. Daarom gebruiken moderne apparaten vaak optica om gegevens te verzenden; denk bijvoorbeeld aan de glasvezelkabels die veel hogere internetsnelheden bieden dan conventionele ethernetkabels.

Het gebied van optica heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in computergebruik door meer te doen, met hogere snelheden en met minder stroom. Een van de belangrijkste beperkingen van optica-gebaseerde systemen op dit moment is echter dat ze op een bepaald moment nog steeds op elektronica gebaseerde transistors nodig hebben om de gegevens efficiënt te verwerken.

Nu, met behulp van de kracht van optische niet-lineariteit (daarover later meer), heeft een team onder leiding van Alireza Marandi, assistent-professor elektrotechniek en toegepaste fysica bij Caltech, een volledig optische schakelaar gemaakt. Zo'n switch zou uiteindelijk dataverwerking met fotonen mogelijk kunnen maken. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics op 28 juli.

Schakelaars behoren tot de eenvoudigste componenten van een computer. Er komt een signaal in de schakelaar en, afhankelijk van bepaalde omstandigheden, laat de schakelaar het signaal vooruit gaan of stopt het. Die aan/uit-eigenschap is de basis van logische poorten en binaire berekeningen, en daar zijn digitale transistoren voor ontworpen. Tot dit nieuwe werk bleek het echter moeilijk om dezelfde functie met licht te bereiken. In tegenstelling tot elektronen in transistors, die elkaars stroming sterk kunnen beïnvloeden en daardoor "schakelen" veroorzaken, hebben fotonen meestal niet gemakkelijk interactie met elkaar.

Twee dingen maakten de doorbraak mogelijk:het materiaal dat Marandi's team gebruikte en de manier waarop ze het gebruikten. Ten eerste kozen ze een kristallijn materiaal dat bekend staat als lithiumniobaat, een combinatie van niobium, lithium en zuurstof die niet in de natuur voorkomt, maar in de afgelopen 50 jaar essentieel is gebleken voor de optica. Het materiaal is inherent niet-lineair:vanwege de speciale manier waarop de atomen in het kristal zijn gerangschikt, zijn de optische signalen die het produceert als uitgangen niet evenredig met de ingangssignalen.

Hoewel lithiumniobaatkristallen al tientallen jaren in optica worden gebruikt, hebben meer recentelijk vooruitgang in nanofabricagetechnieken Marandi en zijn team in staat gesteld om op lithiumniobaat gebaseerde geïntegreerde fotonische apparaten te maken die de opsluiting van licht in een kleine ruimte mogelijk maken. Hoe kleiner de ruimte, hoe groter de intensiteit van het licht bij dezelfde hoeveelheid kracht. Als gevolg hiervan zouden de lichtpulsen die informatie door een dergelijk optisch systeem transporteren, een sterkere niet-lineaire respons kunnen bieden dan anders mogelijk zou zijn.

Marandi en zijn collega's hebben het licht ook tijdelijk beperkt. In wezen verminderden ze de duur van lichtpulsen en gebruikten ze een specifiek ontwerp dat de pulsen kort zou houden terwijl ze zich door het apparaat voortplanten, wat resulteerde in elke puls met een hoger piekvermogen.

Het gecombineerde effect van deze twee tactieken - de tijdruimtelijke opsluiting van licht - is om de sterkte van niet-lineariteit voor een bepaalde pulsenergie aanzienlijk te vergroten, wat betekent dat de fotonen elkaar nu veel sterker beïnvloeden.

Het netto resultaat is de creatie van een niet-lineaire splitter waarin de lichtpulsen worden gerouteerd naar twee verschillende uitgangen op basis van hun energie, wat het mogelijk maakt om te schakelen in minder dan 50 femtoseconden (een femtoseconde is een quadriljoenste van een seconde). Ter vergelijking:ultramoderne elektronische schakelaars nemen tientallen picoseconden in beslag (een picoseconde is een biljoenste van een seconde), een verschil van vele ordes van grootte.

Het artikel is getiteld "Femtojoule femtoseconde all-optical switching in lithiumniobate nanophotonics." + Verder verkennen

De handigheid van licht is de sleutel tot betere optische controle