Neuer optischer Schalter könnte zu ultraschneller rein optischer Signalverarbeitung führen

Ingenieure von Caltech haben einen Schalter – eine der grundlegendsten Komponenten der Computertechnik – entwickelt, der optische statt elektronische Komponenten verwendet. Die Entwicklung könnte die Bemühungen um eine ultraschnelle rein optische Signalverarbeitung und -berechnung unterstützen.

Optische Geräte haben die Fähigkeit, Signale viel schneller zu übertragen als elektrische Geräte, indem sie Lichtimpulse anstelle von elektrischen Signalen verwenden. Aus diesem Grund verwenden moderne Geräte häufig Optiken, um Daten zu senden; Denken Sie beispielsweise an Glasfaserkabel, die viel schnellere Internetgeschwindigkeiten bieten als herkömmliche Ethernet-Kabel.

Das Gebiet der Optik hat das Potenzial, das Rechnen zu revolutionieren, indem es mehr, schnellere Geschwindigkeiten und weniger Leistung leistet. Eine der größten Einschränkungen optischer Systeme besteht derzeit jedoch darin, dass sie ab einem bestimmten Punkt immer noch elektronikbasierte Transistoren benötigen, um die Daten effizient zu verarbeiten.

Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Alireza Marandi, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und angewandte Physik am Caltech, mithilfe der Kraft der optischen Nichtlinearität (dazu später mehr) einen rein optischen Schalter entwickelt. Ein solcher Schalter könnte schließlich die Datenverarbeitung mit Photonen ermöglichen. Die Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphotonik am 28. Juli.

Switches gehören zu den einfachsten Komponenten eines Computers. Ein Signal kommt in den Schalter, und je nach bestimmten Bedingungen lässt der Schalter das Signal entweder weiterlaufen oder stoppt es. Diese Ein/Aus-Eigenschaft ist die Grundlage von Logikgattern und binären Berechnungen und ist das, wofür digitale Transistoren entwickelt wurden. Bis zu dieser neuen Arbeit hat es sich jedoch als schwierig erwiesen, die gleiche Funktion mit Licht zu erreichen. Im Gegensatz zu Elektronen in Transistoren, die den Fluss des anderen stark beeinflussen und dadurch ein „Schalten“ verursachen können, interagieren Photonen normalerweise nicht leicht miteinander.

Zwei Dinge machten den Durchbruch möglich: das Material, das Marandis Team verwendete, und die Art und Weise, wie sie es verwendeten. Zunächst wählten sie ein kristallines Material namens Lithiumniobat, eine Kombination aus Niob, Lithium und Sauerstoff, die in der Natur nicht vorkommt, sich aber in den letzten 50 Jahren als unverzichtbar für die Optik erwiesen hat. Das Material ist von Natur aus nichtlinear: Aufgrund der besonderen Anordnung der Atome im Kristall sind die optischen Signale, die es als Ausgänge erzeugt, nicht proportional zu den Eingangssignalen.

Während Lithiumniobat-Kristalle seit Jahrzehnten in der Optik verwendet werden, haben es Marandi und sein Team in jüngerer Zeit durch Fortschritte bei Nanofabrikationstechniken ermöglicht, auf Lithiumniobat basierende integrierte photonische Geräte zu entwickeln, die es ermöglichen, Licht auf kleinstem Raum einzuschließen. Je kleiner der Raum, desto größer die Lichtintensität bei gleicher Leistung. Als Ergebnis könnten die Lichtimpulse, die Informationen durch ein solches optisches System tragen, eine stärkere nichtlineare Reaktion liefern, als dies ansonsten möglich wäre.

Auch Marandi und seine Kollegen schränkten das Licht zeitlich ein. Im Wesentlichen verringerten sie die Dauer der Lichtimpulse und verwendeten ein spezielles Design, das die Impulse kurz hielt, während sie sich durch das Gerät ausbreiten, was dazu führte, dass jeder Impuls eine höhere Spitzenleistung hatte.

Der kombinierte Effekt dieser beiden Taktiken – die raumzeitliche Begrenzung des Lichts – besteht darin, die Stärke der Nichtlinearität für eine bestimmte Pulsenergie erheblich zu erhöhen, was bedeutet, dass sich die Photonen jetzt viel stärker gegenseitig beeinflussen.

Das Endergebnis ist die Schaffung eines nichtlinearen Teilers, in dem die Lichtimpulse basierend auf ihrer Energie zu zwei verschiedenen Ausgängen geleitet werden, wodurch ein Umschalten in weniger als 50 Femtosekunden möglich ist (eine Femtosekunde ist ein Billiardstel einer Sekunde). Im Vergleich dazu benötigen moderne elektronische Schalter mehrere zehn Pikosekunden (eine Pikosekunde ist ein Billionstel einer Sekunde), ein Unterschied von vielen Größenordnungen.

Das Papier trägt den Titel „Femtojoule Femtosekunden All-Optical Switching in Lithium Niobate Nanophotonics“.