Fotonikytkin CMOS-piireille

18.11.2019

NIST-optinen-kytkin-CMOS-tasolle-300-t.jpgTaiteilijan kuvaus nano-opto-elektro-mekaanisesta kytkimestä. Sitä voidaan käyttää optiseen LIDAR-tutkailuun tai tietoliikenteen välittämiseen Viestinnässä kanavaa kohti lähetetyn tiedon määrää voidaan lisätä siirtämällä dataa useilla eri väreillä eri loppukäyttäjille. Toiminta onnistuu mikrometrien skaalalla hyödyntämällä hybridejä fotoni-plasmonisia rakenteita.

National Institute of Standards and Technologyn (NIST), Marylandin yliopiston ja ETH-Zurihin tutkijat ovat yhdessä kehittäneet optisen kytkimen, joka kuljettaa valoa tietokonesiruilla nopeammin kuin mikään muu vastaava laite.

Uusi kytkin on ensimmäinen, joka toimii riittävän alhaisilla jännitteillä, jotta se voidaan integroida CMOS-tasoisiin piisiruihin jossa se voi ohjata valoa erittäin pienellä signaalin menetyksellä.

Kytkimen ennätysmäinen suorituskyky on merkittävä askel kohti tietokoneen rakentamista, joka käyttää sähkön sijasta valoa tiedon käsittelyyn.

Uusissa kytkimissä yhdistyy nanometrien mittaisen kultaiset ja piioptiset sekä sähköiset ja mekaaniset komponentit. Tutkijamaailmassa on epäilty, että optosähkömekaaniset kytkimet eivät olisi käytännöllisiä, koska ne olisivat kookkaita, hitaita ja vaativat niin korkeita jännitteitä, että tietotekniikkapiirit eivät sietäisi niitä.

Uudessa kytkimessä hyödynnetäänkin valon interferenssi-ilmiöitä sekä plasmoniikkaa. Kytkinrakenteissa valonsäde kulkee aaltojohteissa ja piikiekoissa. Keskeinen komponentti on ohut kultakalvo, joka on ripustettu vain muutaman kymmenen nanometrin korkeudelle piikiekosta. Osa kiekosta kulkevasta valosta vuotaa ulos ja osuu kultakalvoon, indusoimalla sen pinnalla olevia elektroniryhmiä värähtelemään plasmoneina, jotka ovat eräänlainen valoaallon ja elektroniaallon hybridi.

Plasmonit värähtelevät samalla taajuudella kuin valo mutta niiden aallonpituus on paljon lyhyempi. Lyhyempi aallonpituus mahdollistaa manipuloida plasmoneja nanomittojen etäisyyksillä. Tämä mahdollistaa uuden kytkimen toteuttamisen pienikokoisena.

Muuttamalla piikiekon ja kultakalvon välisen raon leveyttä vain muutamalla nanometrillä, tutkijat voivat hidastaa tai edistää hybridivaloaallon vaihetta - ajankohtaa, jolloin aalto saavuttaa harjanteen tai laakson.

Siitä riippuen hybridivaloaallot interferoivat keskenään. Jos ne interferoivat rakentavasti, valo jatkaa alkuperäiseen suuntaansa mutta jos ne interferoivat tuhoavasti ne vaimentavat toisensa ja valon kulku estyy.

Tällöin valon on liikuttava toiseen suuntaan, joka määritetään muiden tukitun reitin läheisyyteen sijoitettujen aaltojohtimien tai reittien suunnan perusteella,. Tällä tavalla valo voidaan kytkeä haluttaessa mille tahansa vaikkapa sadasta muusta kohteesta.

Tutkijat ovat aiemmin arvioineet, että plasmonijärjestelmä heikentää huomattavasti valosignaaleja, koska fotonit tunkeutuvat kultakalvon sisään, missä elektronit absorboivat suuren osan valon energiasta.

Mutta nyt tutkijat ovat osoittaneet, että oletus on väärä. Laitteen kompaktius ja muotoilu varmistivat vain muutaman fotonin läpäisevän kalvon, mikä johti vain 2,5 %:n hävikkiin verrattuna 60 %:iin aiemmissa kytkinrakenteissa. Tämä tuo uuden kytkimen, vaikka se on edelleen prototyyppi, kaupallisten sovellusten ulottuville.

Tutkijat kuvailevat kytkimen mahdollisia sovelluksia olevan esimerkiksi LIDAR-järjestelmissä ja vaikkapa optisissa hermoverkkosovelluksissa. Vähäinen energian käyttö olisi omiaan myös kvanttitietotekniikan parissa.

Ryhmä pyrkii nyt tekemään laitteesta entistä pienemmän pienentämällä piikiekon ja kultakalvon välistä etäisyyttä. Tämä vähentäisi edelleen signaalin hävikkiä, mikä tekisi tekniikasta vieläkin houkuttelevamman teollisuudelle.

Video kytkinrakenteen toiminnasta NIST:n aiheesta julkaisemassa tiedoteessa.

Aiheesta aiemmin:

Mikrokokoisia optisia kytkimiä

Suurin ja nopein optinen kytkinpiiri

23.10.2026Arkhimedeen ruuvi yhdestä molekyylistä
23.10.2026Europpalaisesta kvanttitietotekniikasta
23.10.2026Erittäin herkkä sirutason gyroskooppi
23.10.2026Muistin tallentaminen sirulle, jossa on virtaavaa vettä
22.10.2026Miten kvasihiukkaset vuorovaikuttavat kiinteissä aineissa
22.10.2026Puunjalostusteollisuuden sivutuotteesta hiilinanokuituja natriumioniakuille
21.10.2026Optiset skyrmionit voivat ohjata magneettisia skyrmionja
21.10.2026Tutkia kvanttimateriaalin muutoksia reaaliajassa
21.10.2026Delfiinimäistä kaikuluotausta venyvällä materiaalilla
20.10.2026Yksittäisen 2D-kiteen muuttaminen transistoriksi
20.10.2026Transistori hallitsee, milloin salattua tietoa voidaan lukea
20.10.2026Tilapäinen sula parantaa perovskiitteja
19.10.2026Valon ja äänen vahva kytkentä optisessa kuidussa
19.10.2026Uusi menetelmä tuottaa fotoneja, jotka ovat käytännössä erottamattomia
19.10.2026Potentiaalia mukana kulkeville atomikelloille
17.10.2026Parsakaali kasvaa hyvin magentanväristen aurinkopaneelien alla
16.10.2026Sirupohjainen kvanttimuisti fotonien tallennukseen
16.10.2026Piilossa olevia kvanttiominaisuuksia esiin valolla
16.10.2026Kvanttispinit siirtävät senttimetrin kokoista kohdetta
15.10.2026IBM varoittaa kvanttitietokoneista ja tekoälystä
15.10.2026Pieniä spinejä, suuria kvanttiefektejä
15.10.2026Raskaat fermionit ilmestyvät atomikerroksen rajapinnalle
15.10.2026Matemaattisen tarkasti räätälöitäviä magneettikenttiä
15.10.2026Kivihiilen nanopisteet tehostavat 2D-elektroniikkaa
14.10.2026Multiferroisuutta van der Waals materiaaleilla
14.10.2026Venyvä kvanttipistenäyttö säilyttää kuvan laadun
13.10.2026Kohti omat virheensä korjaavia kvanttitietokoneita
13.10.2026Valon hallinta valolla värjättyjen nestekiteiden avulla
12.10.2026Atomeilla aurinkokennot yli perinteisten rajojen
12.10.2026Cooperin parien Cheshiren kissan virnistys
12.10.2026Tekoälysiru tunnistaa liikkeen muutokset ajan suhteen
10.10.2026Sähköinen tekniikka elämän merkkien tunnistamiseksi avaruudessa
09.10.2026Aliarvioitu faasi sopiikin logiikkapuolijohteeksi
09.10.2026Robotin iho kerää virtaa kävellessään
09.10.2026Joustavuutta neuromorfiseen aistimiseen ilman akkua
08.10.2026Ioneille vauhtia kiinteän tilan akuissa
08.10.2026Perovskiittisia aurinkokennoja ja tekoälyä avaruuteen
08.10.2026Laser pysyy lukittuna ilman aktiivista ohjausta
07.10.2026Radioaaltoja lähettävä plasmasädeantenni laserilla
07.10.2026Kvanttijärjestelmillä on syntymämerkki
07.10.2026Sementtipohjaisia superkondensaattoreta älyrakennuksiin
06.10.2026Kvanttilaskennan edistäminen sinkkioksidin kvanttipisteillä
06.10.2026Kvanttimuisti yksittäisille fotoneille
06.10.2026Timanttinen kvanttianturi yksinkertaistaa virranmittauslaitteiden kalibrointia
05.10.2026Tutkijat ovat löytäneet elektronin neljännesosan varauksen
05.10.2026Nanoskaalan mekaniikka voisi mahdollistaa aivojen inspiroiman laskennan
05.10.2026SQUID-anturi lähemmäksi kvanttimateriaalia
03.10.2026Raudan ja veden muuttaminen magneettisiksi nanopartikkeleiksi
02.10.2026Kolmiulotteisten valokenttien käyttäminen elektronien ohjaamiseen
02.10.2026Kahdeksannapainen magnetismi ja kvanttiteknologiat
02.10.2026Tutkijat loivat valolla ohjelmoitavan puolijohteen
01.10.2026Kvanttiakkujen korkea teho ja vakaan energiantuotannon tasapaino
01.10.2026Uutta perustaa orgaaniselle elektroniikalle
01.10.2026Hafnium on antiferrosähköinen
30.09.2026Uusi materiaalisuunnitelma sirutason salaukselle
30.09.2026Optinen ultraäänianturi mikrosirujen tarkastuksiin
30.09.2026Pieniä OLED-pikseleitä voidaan valmistaa kuten mikrosiruja
29.09.2026Nanotason lämmön kesyttäminen muistirakenteessa
29.09.2026Uusi strategia haihtumattomiin muisteihin
29.09.2026Vastaioneita, vasta-ainoineita ja elektroniikka
28.09.2026Pieniä mutta kiinnostavia akkuratkaisuja
28.09.2026Kaksipuolisista ohutkalvokennoista tandem-aurinkokenno
28.09.2026Uusi lämmöneriste on tehokkaampi kuin mikään luonnossa esiintyvä materiaali
26.09.2026Hyönteisroboteille lisää puhtia kehollisella älykkyydellä
25.09.2026Kolme kvanttifysiikan maailmanennätystä
25.09.2026Kuumien elektronien kerääminen aurinkopaneeleissa
25.09.2026Merimakkarasta inspiroitua e-ihoa ja Skin-on-chip -siru
24.09.2026Estää sähkömagneettiset aallot ja peittää lämmön
24.09.2026Yksi tutka sekä tiedonsiirtoon että havaitsemiseen
24.09.2026Bambusta vankkaa EMI-maateriaalia
23.09.2026Uusi reitti suuriin, järjestäytyneisiin matriiseihin kvanttiteknologiassa
23.09.2026Lämmön ohjausta kvanttitasolla
23.09.2026Uusi dopingmenetelmä orgaanisille puolijohteille
22.09.2026Kahden valoresonanssimoodin itsenäinen hallinta
22.09.2026Uusi silta kvanttiverkoille
22.09.2026Magneettikentät antavat uuden käänteen pintakemiaan
21.09.2026Spintroniikkapiirit energiatehokkaaseen tekoälyyn
21.09.2026Korkeajännitteinen kaksisuuntainen SiC-fetti
21.09.2026Molekyyliantennit tehostavat molekyylikytkimiä
19.09.2026Ensimmäinen havainto äänen kvanttihypystä
18.09.2026Yksi materiaali injektoi varauksen p- ja n- puolijohteisiin
18.09.2026Topologisia polarisaation rakenteita atominohuessa puolijohteessa
18.09.2026Nopeat elektronit surffaavat plasma-aalloilla
17.09.2026Fotonien muokkaus luotettavaa kvanttiviestintää varten
17.09.2026Kaksoislöytö plasmonisille nanolasereille
17.09.2026Klassisesta valosta kvanttikone
17.09.2026Molekyylisia magneettisia ja yksittäisten elektronien muisteja
16.09.2026Magnetismi ja sähköinen polarisaatio samassa materiaalissa
16.09.2026Topologisten magneettien suunnittelua
16.09.2026Fononien kiraalisuuden vaihtaminen sähköllä
15.09.2026Helium ja timantti luovat uusia kvanttilaskennan konsepteja
15.09.2026Sähkökenttä kääntää fononikiraalisuuden ferroelektrisessä kiteessä
14.09.2026Uusi tapa hallita infrapunavaloa reaaliajassa
14.09.2026Taikakulmagrafeeni kytkee päälle ja pois
14.09.2026Nanoskaalaiset multiferroiset tie tehokkaalle magneettimuistiteknologialle
12.09.2026Muistin hinta: miten organismit tasapainottavat ajattelua ja aistimista
11.09.2026Tuhat kertaa nopeammat operaatiot kvanttilaskentaan
11.09.2026Ultranopeat elektronit paljastavat ionisoivan säteilyn signaalin
11.09.2026Elektronien vuorovaikutuksista todellisissa kvanttimateriaaleissa
10.09.2026Puolijohde ja metapinta tehostavat epälineaarista valopolarisaatiota

Näytä lisää »