Принцип дії нанооптичного перемикача. C.Haffner/NIST.
Дослідники з Національного інституту стандартів і технологій (National Institute of Standards and Technology, NIST) і декількох інших наукових центрів розробили оптичний перемикач, здатний перенаправляти світловий пучок між комп'ютерними чіпами за часи близько 20 наносекунд - значно швидше за інші подібні пристрої. Компактний перемикач працює на керуючих сигналах дуже низької напруги, і його можна вбудовувати в звичайні кремнієві мікрочіпи, забезпечуючи перенаправлення світла з дуже низьким ослабленням сигналу.
Такі технічні характеристики перемикача дозволяють говорити про крок вперед у побудові програмованих оптичних ланцюгів, а надалі - і комп'ютерів, в яких для обробки інформації використовується промінь світла замість електричного сигналу. Перенесення інформації частками світла - фотонами - дає суттєві переваги порівняно з електронними каналами зв'язку. Фотони рухаються значно швидше електронів і не витрачають стільки енергії на нагрів деталей комп'ютера. До сьогоднішнього дня проблема відведення тепла є істотною перешкодою в досягненні стрибка продуктивності комп'ютерів. Світлові сигнали вже багато десятиліть використовуються для передачі інформації по оптоволоконних кабелях, проте оптоволоконні вузли поки займають занадто багато місця, і використання цієї технології в комп'ютерних мікросхемах тому залишається проблематичним.
Новий мініатюрний перемикач використовує поєднання оптичних, механічних та електричних ефектів і є по суті плазмонним пристроєм. Він містить компоненти із золота і кремнію розміром у частці мікрометра. Конструкція забезпечує виведення світлового променя всередину мікроскопічної порожнини в кремнієвій підкладці, зміну його швидкості і напрямку поширення. Стаття дев'яти авторів з п'яти дослідницьких центрів про цю розробку вийшла 14 листопада в Science.
Нова технологія дозволяє перенаправляти світлові сигнали з дуже малими енерговитратами, тому розробка може виявитися перспективною і в області технічної реалізації квантових обчислень. Квантовий комп'ютер обробляє інформацію, що зберігається в системах зі спеціально підготовлених і взаємодіючих між собою певним чином квантових кубітів - як правило, субатомних частинок, які можуть перебувати в декількох квантових станах. Такі стани і відіграють роль «сховища інформації» подібно до того, як у звичайних комп'ютерах біти інформації кодуються орієнтацією магнітних доменів (жорсткий диск) або зарядом мікроконденсаторів (оперативна пам'ять). Однак підготовка і підтримка квантових станів вимагають, щоб пристрій (квантовий процесор) знаходився при дуже низьких температурах і управлялося сигналами низької енергії. Оскільки новий нанооптичний перемикач споживає значно менше енергії порівняно з попередніми подібними розробками, він може стати складовою частиною чіпа квантових процесорів.
Багато дослідників, які працюють у цій галузі, висловлюють сумніви в тому, що подібні оптоелектромеханічні перемикачі зможуть знайти практичне застосування через малу швидкодію, велику напругу необхідних керуючих сигналів і відчутних розмірів таких пристроїв. З цієї причини новий результат NIST може здатися несподіваним і таким, що суперечить давнім уявленням всередині наукового співтовариства.
Робота перемикача заснована на хвильовій природі світла: дві однакових світлових хвилі інтерферують, і результуючий сигнал гаситься або посилюється залежно від того, чи знаходяться світлові коливання в протифазі або у фазі. Світловий пучок у пристрої проходить через мініатюрний хвилевод у кремнієвому субстраті. На деякій відстані від початку шляху частина світу виходить з каналу через бічний «відвід» у порожнину, витравлену на відстані кілька нанометрів у кремнієвій підкладці. При належному підборі довжини хвилі світла пучок може багато разів обігнути порожнину по кола перед виходом з неї.
Ключовим компонентом перемикача є дуже тонка мембрана із золота, підвішена на відстані кілька десятків нанометрів над кремнієвим диском. При проходженні пучка світла по окружності порожнини в кремнії частина світу «просочується» з неї назовні і потрапляє на мембрану, викликаючи коливання електронів на її поверхні. Ці збуджені колективні коливання електронного газу називаються плазмонами - хвилями, що поєднують властивості світлових та електронних хвиль. Частота коливань плазмона збігається з частотою падаючого світла, проте довжина хвилі значно менше - близько декількох нанометрів (довжина хвилі видимого світла близько 500 нм). Це дозволяє використовувати їх в електронних компонентах з характерними розмірами порядку нанометрів.
Змінюючи зазор між кремнієвим диском і золотою мембраною на кілька нанометрів, можна істотно змінювати фазу гібридної світлової хвилі. Таке тонке управління досягається вигинанням золотої мембрани під впливом електростатичного заряду при додатку керуючого напруги на контакти на мембрані і кремнієвій підкладці.
Після проходження через систему з кремнієвої порожнини і мембрани частина світлового пучка знову з'єднується з пучком світла, який продовжував рухатися по хвилюванню. Відбувається інтерференція, і залежно від зміни фази частини пучка в порожнині результуюча хвиля гаситься або посилюється. При позитивній інтерференції світловий пучок продовжує рух хвилеводом. Якщо ж два сигнали гасять один одного, цей хвилевод виявляється заблокованим для проходження світла, і пучок можна направити в інший бік залежно від розташування інших хвилеводів поблизу. Таким чином можна змінювати напрямок руху світлового пучка, перенаправляючи його на будь-який з безлічі інших мікрочіпів відповідно до архітектури обчислювального пристрою. Схема нанооптоелектронної мережі і принцип дії плазмонного перемикача. З роботи Haffner et al., Science, 366 (6467), 860-864 (2019)
Спочатку передбачалося, що плазмонна система призведе до істотного загасання світлового сигналу за рахунок поглинання світлової енергії електронами всередині золотої мембрани. Однак це припущення не виправдалося: завдяки мініатюрним розмірам і вдосконаленій конструкції пристрою при взаємодії з мембраною втрачається всього 2,5% сигналу в порівнянні з втратами близько 60% в попередніх аналогічних пристроях. Це дозволяє сподіватися, що нова конструкція перемикача, поки навіть у вигляді прототипу, представить практичний інтерес для виробників мікрочіпів.
Технологія може знайти своє застосування в багатьох областях. Наприклад, у безпілотних автомобілях такий перемикач можна використовувати для перенаправлення пучка світла при швидкому скануванні всіх ділянок дороги з визначенням відстаней до всіх об'єктів в реальному часі. Ця технологія може стати заміною досить громіздким сучасним лідарним системам. Також пристрій можна використовувати в нейронних мережах, забезпечивши перехід з його допомогою з електричних ланцюгів на більш швидкі світлооптичні. Збільшення швидкодії нейронних мереж критично для таких ресурсомістких процесів, як моделювання роботи мозку в завданнях розпізнавання образів або прийняття рішень.
Дослідники продовжують працювати над зменшенням розмірів пристрою, намагаючись скоротити відстань між кремнієвим диском і золотою мембраною. Це дозволить ще зменшити ослаблення сигналу і вдосконалити технологію до рівня промислового впровадження.