วิศวกรของ Caltech ได้พัฒนาสวิตช์ ซึ่งเป็นหนึ่งในองค์ประกอบพื้นฐานที่สุดของการคำนวณ โดยใช้ส่วนประกอบแบบออปติคัลมากกว่าแบบอิเล็กทรอนิกส์ การพัฒนาสามารถช่วยความพยายามในการประมวลผลสัญญาณออปติคัลออปติคอลทั้งหมดที่รวดเร็วเป็นพิเศษ
อุปกรณ์ออปติคัลมีความสามารถในการส่งสัญญาณได้เร็วกว่าอุปกรณ์ไฟฟ้าโดยใช้พัลส์ของแสงมากกว่าสัญญาณไฟฟ้า นั่นคือเหตุผลที่อุปกรณ์สมัยใหม่มักใช้เลนส์ในการส่งข้อมูล ตัวอย่างเช่น ลองนึกถึงสายไฟเบอร์ออปติกที่ให้ความเร็วอินเทอร์เน็ตที่เร็วกว่าสายอีเทอร์เน็ตทั่วไป
สาขาออปติกมีศักยภาพที่จะปฏิวัติการประมวลผลด้วยการทำสิ่งต่างๆ ได้มากขึ้น เร็วขึ้น และใช้พลังงานน้อยลง อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดที่สำคัญประการหนึ่งของระบบที่ใช้เลนส์คือ ณ จุดหนึ่ง พวกเขายังจำเป็นต้องมีทรานซิสเตอร์ที่ใช้อิเล็กทรอนิกส์เพื่อประมวลผลข้อมูลอย่างมีประสิทธิภาพ
ตอนนี้โดยใช้พลังของความไม่เชิงเส้นเชิงแสง (เพิ่มเติมในภายหลัง) ทีมงานที่นำโดย Alireza Marandi ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและฟิสิกส์ประยุกต์ที่ Caltech ได้สร้างสวิตช์ออปติคัลทั้งหมด สวิตช์ดังกล่าวสามารถเปิดใช้งานการประมวลผลข้อมูลโดยใช้โฟตอนได้ในที่สุด งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Photonics เมื่อวันที่ 28 กรกฎาคม
สวิตช์เป็นส่วนประกอบที่ง่ายที่สุดของคอมพิวเตอร์ สัญญาณเข้ามาในสวิตช์และสวิตช์ยอมให้สัญญาณเคลื่อนที่ไปข้างหน้าหรือหยุดชั่วคราว ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขบางประการ คุณสมบัติเปิด/ปิดนั้นเป็นรากฐานของลอจิกเกตและการคำนวณแบบไบนารี และเป็นสิ่งที่ทรานซิสเตอร์ดิจิทัลได้รับการออกแบบมาเพื่อให้บรรลุผลสำเร็จ อย่างไรก็ตาม จนถึงงานใหม่นี้ การบรรลุหน้าที่เดียวกันกับแสงได้พิสูจน์แล้วว่าเป็นเรื่องยาก ซึ่งแตกต่างจากอิเล็กตรอนในทรานซิสเตอร์ ซึ่งอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อการไหลของกันและกัน และด้วยเหตุนี้จึงทำให้เกิด “การสลับ” โฟตอนมักจะไม่สามารถโต้ตอบกันได้ง่าย
สองสิ่งที่ทำให้การพัฒนานี้เป็นไปได้: วัสดุที่ทีม Marandi ใช้ และวิธีที่พวกเขาใช้มัน อย่างแรก พวกเขาเลือกวัสดุที่เป็นผลึกที่เรียกว่า ลิเธียมไนโอเบต ซึ่งเป็นส่วนผสมของไนโอเบียม ลิเธียม และออกซิเจนที่ไม่ได้เกิดขึ้นในธรรมชาติ แต่ในช่วง 50 ปีที่ผ่านมาได้รับการพิสูจน์แล้วว่าจำเป็นต่อสาขาทัศนศาสตร์ วัสดุไม่เป็นเชิงเส้นโดยเนื้อแท้: เนื่องจากวิธีการพิเศษที่อะตอมถูกจัดเรียงในคริสตัล สัญญาณแสงที่ผลิตเป็นเอาต์พุตจึงไม่เป็นสัดส่วนกับสัญญาณอินพุต
ในขณะที่คริสตัลลิเธียมไนโอเบตถูกนำมาใช้ในเลนส์มานานหลายทศวรรษแล้ว เมื่อเร็ว ๆ นี้ ความก้าวหน้าในเทคนิคการประดิษฐ์นาโนทำให้ Marandi และทีมงานของเขาสามารถสร้างอุปกรณ์โฟโตนิกแบบบูรณาการที่ใช้ลิเธียมไนโอเบตได้ ซึ่งอนุญาตให้จำกัดแสงในพื้นที่ขนาดเล็กได้ ยิ่งพื้นที่มีขนาดเล็กเท่าใด ความเข้มของแสงที่มีปริมาณพลังงานเท่ากันก็จะยิ่งมากขึ้น ผลลัพธ์ที่ได้คือพัลส์ของข้อมูลที่นำพาแสงผ่านระบบออปติคัลดังกล่าวสามารถให้การตอบสนองที่ไม่เป็นเชิงเส้นที่แข็งแกร่งกว่าที่จะเป็นไปได้
Marandi และเพื่อนร่วมงานของเขายังจำกัดแสง ไว้ชั่วคราว โดยพื้นฐานแล้ว พวกเขาลดระยะเวลาของพัลส์แสง และใช้การออกแบบเฉพาะที่จะทำให้พัลส์สั้นขณะแพร่กระจายผ่านอุปกรณ์ ซึ่งทำให้แต่ละพัลส์มีกำลังสูงสุดที่สูงขึ้น
ผลรวมของกลวิธีทั้งสองนี้—การ จำกัด แสงเชิงเวลา—คือการเพิ่มความแข็งแกร่งของความไม่เชิงเส้นอย่างมากสำหรับพลังงานชีพจรที่กำหนด ซึ่งหมายความว่าโฟตอนในขณะนี้ส่งผลกระทบซึ่งกันและกันอย่างรุนแรงมากขึ้น
ผลลัพธ์สุทธิคือการสร้างตัวแยกสัญญาณแบบไม่เชิงเส้นซึ่งพัลส์แสงถูกส่งไปยังเอาต์พุตที่แตกต่างกันสองแบบตามพลังงาน ซึ่งทำให้การสลับเกิดขึ้นได้ในเวลาน้อยกว่า 50 เฟมโตวินาที (เฟมโตวินาทีคือหนึ่งในสี่ล้านล้านของวินาที) เมื่อเปรียบเทียบแล้ว สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ที่ล้ำสมัยใช้เวลาหลายสิบพิโควินาที (หนึ่งพิโควินาทีคือหนึ่งในล้านล้านวินาที) ซึ่งแตกต่างจากลำดับความสำคัญมากมาย
บทความนี้มีชื่อว่า ” Femtojoule femtosecond all-optical switching ใน lithium niobate nanophotonics ” ผู้เขียนร่วมคือ Qiushi Guo นักวิชาการหลังปริญญาเอกของ Caltech และนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Ryoto Sekine และ Luis Ledezma ผู้เขียนร่วมของ Caltech เป็นนักวิชาการหลังปริญญาเอก Rajveer Nehra; นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Arkadev Roy และ Robert M. Grey; และสมาน จาฮานี ซึ่งเป็นนักวิชาการดุษฎีบัณฑิตที่ Caltech ในช่วงเวลาของการวิจัยนี้ ผู้เขียนร่วมยังรวมถึง Devin J. Dean ซึ่งเป็นเพื่อน WAVE ที่ Caltech การผลิตนาโนของอุปกรณ์ได้ดำเนินการที่สถาบัน Kavli Nanoscience Institute (KNI) ที่ Caltech งานวิจัยนี้ได้รับทุนจากสำนักงานวิจัยกองทัพบก (ARO) มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ JPL (ซึ่ง Caltech บริหารจัดการให้กับ NASA) และ NTT Research
เขียนโดย
โรเบิร์ต เพอร์กินส์
ติดต่อ
โรเบิร์ต เพอร์กินส์
(626) 395‑1862
rperkins@caltech.edu
