Световые волны могут передавать информацию более эффективно, чем электрический ток.
Микроскопические переключатели, которые направляют световые сигналы между компьютерными чипами, такими как крошечные проводники трафика, могут помочь сделать более быструю и эффективную электронику.
Световые волны могут переносить информацию легче, чем электрический ток, используемый в традиционных схемах, потому что частицы света, называемые фотонами, проникают сквозь материалы, не взаимодействуя с окружающей средой так же сильно, как электроны. Но до сих пор механические переключатели, предназначенные для управления такими световыми волнами, несущими данные, работали относительно медленно и требовали непрактично высокого электрического напряжения для работы.
Теперь, новые разработанные переключатели перенаправляют свет менее чем за миллионную долю секунды, используя примерно один вольт электричества - сравнимо с напряжениями, используемыми в обычной электронике, сообщают исследователи в Science от 15 ноября. Электроника, оснащенная новым дизайном коммутатора для обработки данных с помощью света, а не электричества, может помочь автомобилям с автоматическим управлением сканировать окружающую среду на предмет движения и пешеходов или считывать информацию с квантовых компьютеров.
Каждый переключатель содержит ультратонкий золотой диск, подвешенный над кремниевой пластиной. При подаче небольшого напряжения на выключатель золотой диск изгибается вверх, как чаша, или изгибается вниз, как зонт. Ориентация золотого диска в любой момент времени определяет, будет ли свет, проходящий через близлежащую проволочную структуру, называемую волноводом, непрерывным или перенаправленным.
Когда свет в волноводе проходит мимо переключателя, часть света просачивается в зазор в форме беговой дорожки между золотым диском и кремниевой пластиной, вращается вокруг дорожки и рекомбинирует со светом в волноводе. Если золотая пластина изогнута вверх, пики и впадины световых волн, которые выходят из дорожки, совпадают с пиками в волноводе, усиливая свет вдоль его первоначального пути.
Но если золотая пластина наклонена к кремниевой пластине, взаимодействие с электронами в золоте задерживает свет, когда он движется вокруг ипподрома. Это приводит к тому, что долины световых волн, выходящих из дорожки, совпадают с пиками волн, протекающих через волновод, перекрывая друг друга и блокируя поток света по его первоначальному курсу.
Когда золотая пластина переключателя изогнута вверх, свет, проходящий по светопроводящему каналу, называемому волноводом (идущий сверху вниз справа налево), продолжает непрерывно (показано). Но когда небольшое электрическое напряжение заставляет золотую пластину изгибаться вниз, переключатель останавливает свет, распространяющийся по волноводу в его дорожках. С. Келли / NIST
Второй волновод, расположенный на другой стороне кремниевой пластины, может обеспечить выходную рампу для некоторого света, чтобы покинуть ипподром и начать новый путь. Многие соединенные между собой переключатели, задающие порядок прохождения различных световых сигналов между различными электронными компонентами, могут помочь компьютеру выполнять сложные операции.
Новые переключатели перенаправляют световые волны за десятки наносекунд, по сравнению с длительностью переключения аналогичных устройств на микросекунды. Такие высокие скорости возможны, потому что золотая пластина является более легкой и простой в управлении, чем громоздкие компоненты в других коммутаторах, говорит соавтор исследования Кристиан Хаффнер, исследователь нанофотоники в ETH Zurich и Национальном институте стандартов и технологий в Гейтерсбурге, Мэриленд ". Это как вождение спортивной машины по сравнению с грузовиком ».
Леонардо Мидоло, физик из Копенгагенского университета, не вовлеченный в работу, впечатлен новым дизайном, который требует всего 1,4 вольта электричества, чтобы щелкнуть выключателем на 10 квадратных микрометров. Другие конструкции потребовали бы около 10 вольт. «Это показывает потенциал для этого конкретного класса устройств» для реального использования, говорит он.
Но исследователи должны попытаться усовершенствовать текущий прототип, чтобы лучше сохранять световые сигналы при переключении волн на новый волновод, говорит Мидоло. В настоящее время луч света сохраняет только около 60 процентов своей первоначальной силы, когда он идет в обход. По его словам, если каждый переключатель вымывает почти 40 процентов исходной световой волны, то для того, чтобы эта информация стала почти нечитаемой, требуется всего несколько переключателей. «Это определенно то, что можно улучшить».
