Fotonikytkin CMOS-piireille

Taiteilijan 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