Een team van onderzoekers onder leiding van de Osaka University en de National Taiwan University creëerde een systeem van siliciumresonatoren op nanoschaal die kunnen fungeren als logische poorten voor lichtpulsen. Dit werk kan leiden tot de volgende generatie op silicium gebaseerde computerprocessors die de kloof tussen elektronische en optische signalen overbruggen.

Silicium is een van de overvloedige elementen op onze planeet en vormt de basis voor alle moderne computers. Dat is, van smartphones tot mainframes, alle berekeningen gebeuren op basis van elektrische signalen die door siliciumtransistors gaan. Schakelaars en logische poorten maken van elektronische signalen is eenvoudig, omdat spanningen de stroom in andere draden kunnen regelen. Echter, gegevens op internet worden voornamelijk als lichtpulsen over glasvezelkabels verzonden. De mogelijkheid om zowel data als logica volledig te controleren met licht op silicium zou kunnen leiden tot veel snellere apparaten.

De uitdaging is dat lichtdeeltjes, fotonen genoemd, nauwelijks met elkaar omgaan, pulsen kunnen elkaar dus niet in- of uitschakelen om logische taken uit te voeren. Niet-lineaire optica is het vakgebied dat zich bezighoudt met het vinden van materialen waarin lichtstralen op de een of andere manier op elkaar inwerken. Helaas, de niet-lineariteit van monokristallijn silicium is extreem zwak, dus vroeger het was nodig om zeer intense lasers te gebruiken.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van de Osaka University en de National Taiwan University hebben de niet-lineariteit van silicium 100 vergroot, 000 keer door een nano-optische resonator te maken, zodat volledig optische schakelaars kunnen worden bediend met behulp van een continue laser met laag vermogen. Ze bereikten dit door kleine resonatoren te fabriceren uit blokken silicium van minder dan 200 nm groot. Laserlicht met een golflengte van 592 nm kan binnenin opgesloten raken en de blokken snel opwarmen, gebaseerd op het principe van Mie-resonantie. "Een Mie-resonantie treedt op wanneer de grootte van een nanodeeltje overeenkomt met een veelvoud van de lichtgolflengte, " zegt auteur Yusuke Nagasaki.

Met een nanoblok in een thermo-optisch geïnduceerde hete toestand, een tweede laserpuls bij 543 nm kan bijna zonder verstrooiing passeren, wat niet het geval is wanneer de eerste laser is uitgeschakeld. Het blok kan afkoelen met relaxatietijden gemeten in nanoseconden. Deze grote en snelle niet-lineariteit leidt tot potentiële toepassingen voor GHz volledig optische controle op nanoschaal. "Silicium zal naar verwachting het materiaal bij uitstek blijven voor optische geïntegreerde schakelingen en optische apparaten, " zegt senior auteur Junichi Takahara.

Het huidige werk maakt optische schakelaars mogelijk die veel minder ruimte innemen dan eerdere pogingen. Deze vooruitgang maakt de weg vrij voor directe integratie op de chip en beeldvorming met superresolutie.