Conventionele computerprocessors hebben hun "kloksnelheden" (een maatstaf voor hoe snel ze kunnen in- en uitschakelen) vrijwel maximaal benut vanwege de beperkingen van elektronisch schakelen. Wetenschappers die computerprocessors willen verbeteren, zijn geïntrigeerd geraakt door het potentieel van volledig optisch schakelen, waarbij licht in plaats van elektriciteit wordt gebruikt om te bepalen hoe gegevens worden verwerkt en opgeslagen op een chip.

Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de Purdue University hebben onlangs een nieuw soort volledig optische schakelaar gecreëerd die dit potentieel zou kunnen realiseren.

"Eerdere iteraties van optische schakelaars hadden vaste schakeltijden die bij de fabricage in het apparaat waren 'ingebakken', zegt Soham Saha uit Argonne, een van de postdoctorale fellows van Maria Goeppert Mayer van het laboratorium die werkt in het Argonne Center for Nanoscale Materials, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit.

Saha en zijn collega's hebben een optische schakelaar gemaakt van twee verschillende materialen, elk met een andere schakeltijd. Het ene materiaal, met aluminium gedoteerd zinkoxide, heeft een schakeltijd in het picosecondebereik, terwijl het andere materiaal, plasmonische titaniumnitride, een schakeltijd heeft die ruim honderd keer langzamer is in het nanosecondebereik.

"Als je optische componenten gebruikt in plaats van elektronische circuits, zijn er geen resistieve-capacitieve vertragingen, wat betekent dat je deze chips in theorie duizend keer sneller zou kunnen laten werken dan conventionele computerchips", aldus Saha.

Het verschil in schakeltijden tussen de twee metalen componenten betekent dat de schakelaar flexibeler kan zijn en gegevens snel kan verzenden en tegelijkertijd effectief kan opslaan, aldus Saha. "Het bimetaalkarakter van de schakelaar betekent dat deze voor meerdere doeleinden kan worden gebruikt, afhankelijk van de golflengte van het licht dat je gebruikt", zei hij. "Als je langzamere toepassingen wilt, zoals geheugenopslag, schakel je over met het ene materiaal; voor snellere toepassingen schakel je over met het andere. Deze mogelijkheid is nieuw."

In de experimentele configuratie functioneren de materialen van de schakelaar als lichtabsorbeerders of reflectoren, afhankelijk van de werkingsgolflengte. Wanneer ze door een lichtstraal worden ingeschakeld, schakelen ze van toestand.

Het regelen van de snelheid van volledig optische schakelaars is cruciaal voor het optimaliseren van hun prestaties in verschillende toepassingen. Deze bevindingen zijn veelbelovend voor de ontwikkeling van zeer aanpasbare en efficiënte schakelaars op gebieden als verbeterde glasvezelcommunicatie, optisch computergebruik en ultrasnelle wetenschap.

De mogelijkheid om de schakelsnelheden aan te passen brengt ons ook dichter bij het overbruggen van de kloof tussen optische en elektronische communicatie, waardoor snellere en efficiëntere gegevensoverdracht mogelijk wordt.

Dit onderzoek biedt waardevolle inzichten in het fundamentele begrip van volledig optische schakelaars en maakt de weg vrij voor het ontwerp van geavanceerde apparaten voor computers en telecommunicatie.

Een artikel gebaseerd op het onderzoek 'Engineering the temporal dynamics of all-optical Switching with fast and slow materials' is gepubliceerd in Nature Communications .

Meer informatie: Soham Saha et al., Engineering van de temporele dynamiek van volledig optisch schakelen met snelle en langzame materialen, Natuurcommunicatie (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41377-5

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Geleverd door Argonne National Laboratory