Инженеры из Калифорнийского технологического института разработали коммутатор — один из самых фундаментальных компонентов вычислительной техники — с использованием оптических, а не электронных компонентов. Разработка может помочь усилиям по достижению сверхбыстрой полностью оптической обработки сигналов и вычислений. Исследование было опубликовано в журнале Nature Photonics.
Область оптики обладает потенциалом революционизировать вычисления, делая больше, с более высокой скоростью и с меньшей мощностью. Однако одним из основных ограничений оптических систем в настоящее время является то, что в определенный момент им все еще необходимо иметь электронные транзисторы для эффективной обработки данных.
Теперь, используя возможности оптической нелинейности, команда под руководством Алирезы Маранди, доцента кафедры электротехники и прикладной физики в Калифорнийском технологическом институте, создала полностью оптический переключатель. Такой переключатель может в конечном итоге обеспечить обработку данных с использованием фотонов.
Коммутаторы являются одними из самых простых компонентов компьютера. На коммутатор поступает сигнал, и, в зависимости от определенных условий, он либо позволяет сигналу двигаться вперед, либо останавливает его. Это свойство включения / выключения является основой логических элементов и двоичных вычислений, и именно для этого были разработаны цифровые транзисторы. Однако до этой новой работы достижение той же функции со светом оказалось трудным. В отличие от электронов в транзисторах, которые могут сильно влиять на поток друг друга и тем самым вызывать “переключение”, фотоны обычно нелегко взаимодействуют друг с другом.
Два момента сделали прорыв возможным: материал, который использовала команда Маранди, и способ, которым они его использовали. Во-первых, они выбрали кристаллический материал, известный как ниобат лития, сочетание ниобия, лития и кислорода, которое не встречается в природе, но за последние 50 лет доказало свою важность для области оптики. Материал по своей природе нелинейный: из-за особого расположения атомов в кристалле оптические сигналы, которые он выдает на выходе, не пропорциональны входным сигналам.
В то время как кристаллы ниобата лития использовались в оптике на протяжении десятилетий, совсем недавно достижения в технологиях нанопроизводства позволили Маранди и его команде создать интегрированные фотонные устройства на основе ниобата лития, которые позволяют удерживать свет в крошечном пространстве. Чем меньше пространство, тем больше интенсивность света при той же мощности. В результате импульсы света, несущие информацию через такую оптическую систему, могут обеспечить более сильный нелинейный отклик, чем это было бы возможно в противном случае.
Ученые также ограничили свет во времени. По сути, они уменьшили длительность световых импульсов и использовали специальную конструкцию, которая позволяла сохранять импульсы короткими по мере их распространения через устройство, что приводило к тому, что каждый импульс имел более высокую пиковую мощность.
Совокупный эффект этих двух тактик – пространственно – временного ограничения света – заключается в существенном повышении силы нелинейности для заданной энергии импульса, что означает, что фотоны теперь влияют друг на друга гораздо сильнее.
Конечным результатом является создание нелинейного разветвителя, в котором световые импульсы направляются на два разных выхода в зависимости от их энергии, что позволяет переключаться менее чем за 50 фемтосекунд (фемтосекунда равна квадриллионной доли секунды). Для сравнения, современные электронные коммутаторы занимают десятки пикосекунд (пикосекунда составляет триллионную долю секунды), разница во много порядков.
