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

27.03.2024Kvantti-interferenssi ja transistori
26.03.2024Robotti tarttuu lihanpalaan ja keskustelee kaverinsa kanssa
25.03.2024Piin kanssa yhteensopivia magneettisia pyörteitä
23.03.2024Kaksitoiminen katalyytti tekee sen halvemmalla
22.03.2024Hiilinanoputket käyttöön
21.03.2024Fotonisirut valtaavat alaa
21.03.2024Uusi 2D-materiaalien maailma on avautumassa
19.03.2024Suprajohteet auttavat tietokoneita "muistamaan"
18.03.2024Kvanttimateriaalitutkimuksen uudet työkalut
16.03.2024Räjähtämätön vedyntuotantomenetelmä
15.03.2024Kvanttitietokoneita atomeihin perustuen
14.03.2024Elektronit vedessä ja särkyneinä
13.03.2024Sateenvarjo atomeille
12.03.2024Magnetismilla energiatehokasta laskentaa
11.03.2024Molekyylielekroniikan johteita ja kytkimiä
09.03.2024Elektroniikkaromusta kultaa edullisesti
09.03.2024Jännitystä aurinkoenergian keräämiseen
07.03.2024Kolmas ulottuvuus langattoman prosessoinnille
06.03.2024Mikroaaltoinen fotoniikkasiru nopeaan signaalinkäsittelyyn
05.03.2024Palonkestävä natriumakku
04.03.2024Polymeeripohjaiset viritettävät optiset komponentit
01.03.2024Tulevaisuuden kubitti luotiin kvanttiprosessoriin
29.02.2024Uudenlaisia ratkaisuja pienen koon tehokäyttöihin
28.02.2024Fotonien napakymppi ja tehokas ylösmuunnos
27.02.2024Elektroneja murto-osina grafeenissa
26.02.2024Elektronin ja fononin vuorovaikutuksen mysteeri
24.02.2024Entistä tehokkaampia aurinkokennoja
23.02.2024Uusi resepti kvanttisimuloinnille
22.02.2024Li-ion-johteita uuden suunnan kestäville akuille
21.02.2024Uusi laji magnetismia
20.02.2024Hyppivät atomit muistavat missä ne ovat olleet
19.02.2024Puolipallon muoto aurinkokennoon
17.02.2024Perovskiittiä vihreän vedyn tuotantoon
16.02.2024Fotoniikan nanovalmistusta printterillä
15.02.2024Neuromorfisia näkösensoreita
14.02.20242D-materiaaleista heterorakenteita
13.02.2024Magneettisten supervoimien vapauttaminen
12.02.2024Kvanttiedulla liikkuva maali
10.02.2024Antureita ympäristöhaittojen seurantaan
09.02.2024Kohti kvantti-internetiä ja kvanttiviestintää
08.02.2024Tehokkaita röntgensäteitä ja ultraviolettivaloa
07.02.2024Kubitti, jossa on sisäänrakennettu virheenkorjaus
06.02.2024Laskentaa valoaalloilla
05.02.20243D-tulostettu elektroninen iho ja näyttö
03.02.2024Läpimurto kvanttipisteisissä aurinkokennoissa
02.02.2024Äänikäyttöiset anturit säästävät miljoonia paristoja
01.02.2024Energiankeruuta ja kuvantamista samanaikaisesti
31.01.2024Pitkään kestäviä grafeenin laaksotiloja kubiteille
30.01.2024Pinoa neuroverkkojärjestelmiä rakennelohkoista
29.01.2024Vihreiden ledien tehokkuus paremmaksi
27.01.2024Ultranopea vetyvuodon anturi
26.01.2024Uusi ehdokas yleismuistiksi
25.01.2024Teollisesti valmistettava kvanttimuisti
24.01.2024Ensimmäinen topologinen kvanttipiiri
23.01.2024Grafeenista vihdoin toiminnallinen puolijohde
23.01.2024Lämpösähköä esineiden Internetille
20.01.2024Polttokenno toimii maaperässä ikuisesti
19.01.2024Tutkijat loivat loogisen kvanttiprosessorin
18.01.2024Kvanttilomittuminen ja topologia ovat erottamattomia
17.01.2024Tutkimus tasoittaa tietä paremmille metalliakuille
16.01.2024Ihmisen kuulojärjestelmä mallina yksijohtimiselle anturiryhmälle
15.01.2024Todennäköisyyspohjaisia tietokoneita ja tekoälyä
13.01.2024Valo välittää dataa sata kertaa nopeammin kuin Wi-Fi
12.01.2024More than Moore -konsepti
11.01.2024Korkeamman lämpötilan suprajohteiden kytkentää
10.01.2024Hiili tehostaa 2D-elektroniikkaa
09.01.2024Stokastista synkronia salaukseen ja neuroneille
08.01.2024Polymeeristä syntyy katalyyttikide
06.01.2024Kuupölystä aurinkokennoja
05.01.2024Kvanttipisteisiä aurinkosähkökennoja
04.01.2024Plasmoneita ja tekoälyä terahertsitutkimuksiin
03.01.2024Vetyä ja polymeeriä akkuihin
02.01.2024Aivomainen transistori jäljittelee ihmisen älykkyyttä
01.01.2024Yhdistetty "kilparata" mahdollistaa uuden optisen laitteen
29.12.2023Liukuvaa ferrosähköisyyttä ja timantteja
28.12.2023Magneto-optista materiaalia pii-integrointiin
27.12.2023Kvanttipisteanturi ei tarvitse ulkoista teholähdettä
22.12.2023Sähköistävä parannus kuparin johtavuuteen
21.12.2023Yksittäisestä 2D-materiaalista suprajohtava liitos
20.12.2023Nanoresonaattorit avaavat tietä kvanttiverkoille
19.12.2023Metapinta-antenni 6G:lle ja meta-atomeja
18.12.2023Atomintarkkaa 2D-materiaalien integrointia
16.12.2023Kvanttiakuissa rikotaan kausaliteetti
15.12.2023Hierarkkinen generatiivinen mallinnus autonomisille roboteille
14.12.2023Uusi näkemys moniarvoisten akkujen suunnitteluun
13.12.2023Optisella langattomalla ei ehkä enää ole esteitä
13.12.2023Fyysikot kvanttilomittavat yksittäisiä molekyylejä
12.12.2023Edullista tribosähköä ja aurinkokenno puumateriaalista
08.12.20232D-materiaaleista 3D-elektroniikkaa tekoälylaitteistoihin
07.12.2023Fotonikomponentteja RF-signaalin käsittelyyn
06.12.2023Elektromagnoniikasta uusi tiedonkäsittelyn alusta
05.12.2023Uusi alusta kvantti-informaation käsittelyyn
04.12.2023Lämpöä voidaan käyttää laskentaan
01.12.2023Askel biologian ja mikroelektroniikan integroinnille
30.11.2023Josephson-liitosten käyttö supravirran ohjaamiseen
29.11.2023Mikrotekniikkaa ja molekyylikemiaa aurinkokennoille
28.11.2023Materiaalien kehittelyä koneoppisella
27.11.2023Kaksiulotteisia magneetteja tietotekniikalle
25.11.2023Uusi jäähdytysmekanismi jääkaapeille ja jäähdytyslaitteille
24.11.2023Vangita elektroneja 3D-kiteeseen

Näytä lisää »