Valon nopeutta sirupiireihin

Tiedonsiirrossa ja -käsittelyssä valo voi tehdä asioita, joihin sähkö ei pysty. Fotonit ovat paljon nopeampia kuin elektronit kulkemaan piireissä.

Laservalo on välttämätöntä myös esimerkiksi tehokkaiden, kehittyvien kvanttiteknologioiden, kuten optisten atomikellojen ja kvanttitietokoneiden, ohjaamiseksi .

Mutta ennen kuin integroitu fotoniikka voi todella päästä vauhtiin, on vielä useita esteitä. Yksi niistä liittyy lasereihin. Korkealaatuisia, kompakteja ja tehokkaita lasereita on olemassa vain muutamilla aallonpituuksilla eli valon väreillä. Esimerkiksi puolijohdelaserit ovat erittäin hyviä tuottamaan infrapunavaloa, jonka aallonpituus on 980 nanometriä – väri, joka on juuri ja juuri ihmisen näkökyvyn ulkopuolella.

Kehittyvät teknologiat, kuten optiset atomikellot ja kvanttitietokoneet, tarvitsevat lasersädettä myös monissa muissa väreissä. Näitä värejä tuottavat laserit ovat suuria, kalliita ja paljon virtaa kuluttavia, mikä rajoittaa nämä kvanttiteknologiat käytännössä laboratorioihin.

Integroimalla lasereita sirujen piireihin tiedemiehet toivovat voivansa auttaa kvanttiteknologioita tulemaan halvemmiksi ja kannettavammiksi, jotta ne voivat alkaa täyttää valtavaa lupaustaan.

Uusi NIST-fotoniikkapiiri on vähän kuin kerroskakku. NIST-fyysikot Scott Papp ja Grant Brodnik kollegoidensa kanssa aloittivat standardilla piikiekolla, joka on päällystetty piidioksidilla (lasi) ja litiumniobaatilla eli epälineaarisella materiaalilla, joka voi muuttaa siihen tulevan valon väriä.

Tutkijat lisäsivät sitten metallinpaloja ohjatakseen sähköisesti sitä, miten piirit muuntavat yhden valon värin toiseksi. Tutkijat loivat myös muita metalli-litiumniobaatti-rajapintoja, joiden avulla he pystyivät kytkemään valoa nopeasti päälle ja pois piireissä – ratkaisevan tärkeä kyky tiedonkäsittelyssä ja nopeassa reitittelyssä.

Kirsikkana kakun päällä, tavallaan, oli toinen epälineaarinen materiaali, tantaalipentoksidi eli tantala. Tantala voi muuttaa valoa taianomaiselta tuntuvilla tavoilla, imemällä yhden lasersäteen värin ja tuottamalla näkyviin valon värien täyden sateenkaaren sekä laajan infrapuna-aallonpituusalueen. Papp ja kollegat ovat vuosia kehittäneet tekniikoita, joilla voidaan valmistaa piirejä tantalista ilman sen lämmittämistä, jolloin materiaali voidaan kerrostaa muille materiaaleille vahingoittamatta niitä.

Kuvioimalla eri materiaalit päällekkäin kolmiulotteiseksi pinoksi tutkijat tuottivat yhden sirun, joka reitittää valoa tehokkaasti kerrosten välillä. Se mahdollisti tantalan valoa manipuloivan taikuuden yhdistämisen litiumniobaatin hallittavuuteen. Uusi tekniikka "mahdollistaa saumattoman integroinnin", Brodnik sanoo. "Todellinen voima on siinä, että tantalaa voidaan lisätä olemassa oleviin piireihin."

Lopulta tutkijat onnistuivat sovittamaan noin 50 kynnen kokoista sirua, jotka sisälsivät 10 000 fotonipiiriä, joista jokainen tuotti ainutlaatuisen värin, kiekolle, joka on suunnilleen olutlasinalusen kokoinen. "Voimme luoda kaikki nämä eri värit pelkästään suunnittelemalla piirejä", Papp sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Fotoniikkasiru kvanttitietokonetta kokoamaan

Ohjelmoitava monitoiminen integroitu mikroaaltofotonipiiri