Инженеры Калифорнийского технологического института разработали переключатель — один из самых фундаментальных компонентов вычислений — с использованием оптических, а не электронных компонентов. Разработка может помочь усилиям по достижению сверхбыстрой полностью оптической обработки сигналов и вычислений.
Оптические устройства способны передавать сигналы намного быстрее, чем электрические устройства, используя импульсы света, а не электрические сигналы. Вот почему современные устройства часто используют оптику для отправки данных.
Область оптики может произвести революцию в вычислительной технике, делая больше, на более высоких скоростях и с меньшими затратами энергии. Однако одним из основных ограничений систем на основе оптики в настоящее время является то, что в определенный момент им все еще необходимо иметь электронные транзисторы для эффективной обработки данных.
Теперь, используя силу оптической нелинейности, команда под руководством Алирезы Маранди, доцента кафедры электротехники и прикладной физики Калифорнийского технологического института, создала полностью оптический переключатель. Такой переключатель может в конечном итоге включить обработку данных с использованием фотонов. Исследование было опубликовано в журнале Nature Photonics.
Коммутаторы являются одними из самых простых компонентов компьютера. В коммутатор поступает сигнал, и, в зависимости от определенных условий, коммутатор либо пропускает сигнал вперед, либо останавливает его. Это свойство включения/выключения лежит в основе логических вентилей 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 потоки друг друга и тем самым вызывать «переключение», фотоны обычно нелегко взаимодействуют друг с другом.
Две вещи сделали прорыв возможным: материал, который использовала команда Маранди, и то, как они его использовали. Во-первых, они выбрали кристаллический материал, известный как ниобат лития, представляющий собой комбинацию ниобия, лития и кислорода, которая не встречается в природе, но за последние 50 лет оказалась незаменимой в области оптики. Материал по своей природе нелинейный: из-за особого расположения атомов в кристалле оптические сигналы, которые он производит на выходе, не пропорциональны входным сигналам.
В то время как кристаллы ниобата лития использовались в оптике на протяжении десятилетий, совсем недавно достижения в области технологий 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.
Маранди и его коллеги также временно ограничили свет. По сути, они уменьшили продолжительность световых импульсов и использовали особую конструкцию, которая позволяла сохранять короткие импульсы при их распространении через устройство, в результате чего каждый импульс имел более высокую пиковую мощность.
Комбинированный эффект этих двух тактик — пространственно-временного удержания света — должен существенно увеличить силу нелинейности для данной энергии импульса, что означает, что теперь фотоны гораздо сильнее влияют друг на друга.
Конечным результатом является создание нелинейного делителя, в котором световые импульсы направляются на два разных выхода в зависимости от их энергии, что позволяет осуществлять переключение менее чем за 50 фемтосекунд (фемтосекунда — это квадриллионная доля секунды). Для сравнения, современным электронным переключателям требуется десятки пикосекунд (пикосекунда — это триллионная доля секунды), разница во много порядков.
