AI & computing › Neuromorfe & fotonische chips
Caltech bouwt chip die licht bijstuurt in 74 biljardste van een seconde
Onderzoekers van Caltech hebben een piepklein chipje gebouwd dat een lichtstraal kan ombuigen met een andere lichtstraal, in slechts 74 femtoseconden. Dat is duizenden keren sneller dan bestaande technieken en kan de basis leggen voor razendsnelle communicatie, computers en sensoren op basis van licht.
Licht kan enorme hoeveelheden data vervoeren, maar om dat praktisch te gebruiken moet je de richting van een lichtstraal snel en nauwkeurig kunnen sturen. Bestaande technieken, zoals de lcd-schermen in beamers of chips in glasvezelnetwerken, doen dat via elektronen. Die moeten eerst naar een hogere energietoestand worden geduwd en vallen daarna weer terug, wat tijd kost. Daardoor loopt de snelheid van dat soort schakelingen vast op nanoseconden of picoseconden: nog altijd biljoensten van een seconde, maar traag vergeleken met wat nu mogelijk blijkt.
Een team onder leiding van natuurkundige Harry Atwater omzeilde dat probleem volledig. In plaats van elektrische signalen gebruikten de onderzoekers een sterke lichtpuls, de 'pomp', met een specifiek patroon. Die puls verandert heel kort de optische eigenschappen van een materiaal. Een tweede, zwakkere lichtstraal - de 'probe' - die vervolgens door dat materiaal reist, wordt daardoor van richting veranderd. Zodra de pomppuls voorbij is, verdwijnt het effect net zo snel als het kwam.
Een zwak natuurkundig effect flink versterkt
De truc berust op het optisch Kerr-effect: een intense lichtbundel kan de brekingsindex van een materiaal heel kort en heel licht veranderen. Dat gebeurt zonder dat elektronen naar een aparte energietoestand springen, waardoor er geen wachttijd ontstaat. Op zichzelf is dit effect te zwak om bruikbaar te zijn. Daarom bouwden de onderzoekers een metaoppervlak: een flinterdun laagje amorf silicium, bedekt met nanopilaartjes die kleiner zijn dan de golflengte van het pomplicht. Door de afmeting en onderlinge afstand van die pilaartjes zorgvuldig te kiezen, blijft licht net iets langer binnen het materiaal ronddraaien in plaats van er direct doorheen te schieten. Die extra tijd versterkt het kleine Kerr-effect genoeg om de probe-straal daadwerkelijk om te buigen, tot een hoek van 13 graden.
Sneller dan de laserpuls zelf
Het team, met als eerste auteur Claudio Hail (inmiddels verbonden aan UC Berkeley) en mede-auteur Lior Michaeli (nu aan de universiteit van Tel Aviv), publiceerde de resultaten in Nature Nanotechnology. Opvallend is dat de snelheid van 74 femtoseconden niet wordt bepaald door het materiaal zelf, maar door de duur van de gebruikte laserpuls. Met kortere pulsen zou de chip dus nog sneller kunnen schakelen. Dat opent perspectief richting toepassingen als tijdkristallen en materialen die hun optische eigenschappen voortdurend en gecontroleerd veranderen.
Voor de praktijk betekent dit vooral een belofte voor de langere termijn. De technologie combineert de snelheid van licht met de precisie van siliciumfotonica, en zou ooit kunnen worden ingezet in datacenters, telecomnetwerken en gevoelige sensoren die profiteren van schakelsnelheden die nu nog buiten bereik liggen van elektronische chips.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Deze chip laat zien dat licht zichzelf kan sturen zonder om te slaan naar trage elektronica, wat de weg vrijmaakt voor communicatie- en computertechniek die duizenden keren sneller schakelt dan huidige optische chips. Als de techniek opschaalt, kan dit razendsnelle datacenters, telecomverbindingen en precisiesensoren dichterbij brengen.
- Femtoseconde
- Een miljardste van een miljoenste seconde; de tijdschaal waarop atomen en lichtpulsen bewegen.
- Metaoppervlak
- Een ultradun, kunstmatig nanogestructureerd laagje dat licht op ongebruikelijke manieren buigt of vertraagt.
- Brekingsindex
- Een getal dat aangeeft hoeveel een materiaal licht vertraagt en laat buigen.
- Siliciumfotonica
- Chiptechnologie die gebruikmaakt van licht in plaats van elektrische stroom om data te verwerken en te versturen.
- Optisch Kerr-effect
- Een natuurkundig verschijnsel waarbij een sterke lichtbundel heel kort de brekingsindex van een materiaal verandert.
- Nanopilaar
- Een kunstmatig aangebrachte zuil van materiaal, kleiner dan de golflengte van licht, gebruikt om lichtgedrag te sturen.
- Optische bundelsturing
- Het richten of ombuigen van een lichtstraal met behulp van optische of elektronische middelen.
- Tijdkristal
- Een toestand van materie of licht die zichzelf herhaalt in de tijd in plaats van alleen in de ruimte.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
