Фотоника: разработан полностью оптический коммутатор

Компьютеры становятся быстрее с каждым годом, но все достижения в скорости быстродействия станут незначительными, если их единицы и нули будут передаваться вспышками света, а не электричеством.

Исследователи из Университета Пенсильвании сделали важный шаг вперед в области фотоники. Они создали первый в мире полностью оптический фотонный переключатель из нанопроводов, изготовленных из сульфида кадмия. Кроме того, они объединили эти фотонные переключатели в логический вентиль - базовый элемент цифровой схемы, способный выполнить элементарные логические операции, на основе которого и конструируют компьютерные чипы.

Оптический элемент "И-НЕ" на основе нанопроводов

Эти исследования проводили ассистент профессора Ритеш Агарвал и аспирант Брайан Пицционе на кафедре материаловедения и инженерии в Пенновской Школе инженерных и прикладных наук. Также внесли свой вклад в эту работу в области материаловедения научные сотрудники Чан-Хи Чо и Ламберт ван Вогт. Результаты были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

Инновации исследовательской группы базируются на более ранних исследованиях, показавших, что нанопровода из сульфида кадмия представляют собой чрезвычайно сильную связь света и вещества. Это делает их особенно эффективными материалами для управления светом. Это качество имеет решающее значение для развития нано-фотонных цепей, так как существующие механизмы для регулирования потока света являются громоздкими и требуют больше энергии, чем их электронные аналоги.

"Самая большая проблема для фотонных структур на наноуровне - это принять поток света, что-либо с ним сделать, а затем выпустить наружу, - сказал Агарвал. - Наша главная инновация в том, как мы решили первую задачу. Это получилось благодаря тому, что сами нанопровода на чипе стали источниками света".

Исследовательская группа начала с точного разреза нанопровода. Затем они направили лазерный импульс в первый его сегмент, получив на конце его перед вторым сегментом миниатюрный источник излучения. Поскольку оба сегмента были изготовлены из единого нанопровода и их концы точно совпадали, второй сегмент эффективно поглощал это излучение и направлял свет дальше.

Получив свет во втором сегменте нанопровода, исследователи гасили его дополнительным импульсом сбоку. Таким образом, получился элементарный логический переключатель. Ученые измерили интенсивность света, выходящего из конца второго сегмента нанопровода, и убедились, что переключатель может эффективно представлять двоичные состояния, используемые в логических устройствах.

"Объединив несколько таких переключателей, можно сконструировать логические элементы и собирать логические вентили. - сказал Брайан Пицционе. - Мы использовали эти коммутаторы для построения логического элемента И-НЕ – основного блока современного компьютерного чипа".