Оптические устройства потенциально быстрее, чем электронные. Последние (в настоящее время в основном полупроводниковые) используют электрические сигналы, основанные не движении электронов в проводниках и полупроводниках. Оптические же основаны на передаче светового импульса. Поэтому сегодня оптические устройства все чаще используют для передачи данных. Самый известный пример — оптические кабели связи: оптоволоконный интернет значительно быстрее Ethernet-сетей на основе металлических проводов.
Оптический диапазон способен привести к очередной технической революции и в области компьютерных вычислений — оптоэлектронные устройства обрабатывают сигналы быстрее и потребляют меньше энергии. Однако пока потенциал «оптических компьютеров» ограничен: в какой-то момент на пути сигнала все равно встретятся полупроводниковые элементы (например, транзисторы) — и на этих участках придется переключаться со светового сигнала на электронный.
Но инженеры работают над преодолением этого узкого места. Исследователи из Калифорнийского института технологий разработали переключатель, работающий только с оптическим сигналом. Для этого использовали нелинейный материал — кристалл ниобата лития. Это соль, содержащая элементы литий, ниобий и кислород LiNbO3 (в природе такой материал не встречается). Кристаллы этой соли прозрачны как раз в видимом и инфракрасном диапазоне, а из-за особенностей кристаллической решетки материал обладает особыми свойствами: оптический сигнал на выходе из него непропорционален входному.
В разработке использовался не только пространственный, но и временной захват светового сигнала: поддерживалась очень маленькая длительность световых импульсов, а специальная схема оптического контура позволила сохранять эти импульсы достаточно кратковременными при движении через прибор. Таким образом импульсы имели большую пиковую энергию, что и позволило в полной мере использовать нелинейные характеристики материала.
«Чистовой» результат экспериментов — создание нелинейного разделителя пучка, в котором световые импульсы направляются по двум разным оптическим контурам в зависимости от их энергии. То есть, удалось реализовать базовый логический вентиль для оптического сигнала вроде тех, что пока что реализованы в основном на полупроводниковых элементах и работают с электрическими сигналами. Переключение в таком вентиле занимает менее 50 фемтосекунд (квадрильонных долей секунды). Для сравнения: современные электронные переключатели обладают быстродействием в десятки пикосекунд (триллионных долей секунд) — то есть, срабатывают на много порядков медленнее.