National Institute of Standards and Technologyn (NIST), Marylandin yliopiston ja Zürichin teknisen korkeakoulun tutkijat ovat yhdessä kehittäneet optisen kytkimen, joka kuljettaa valoa tietokonesiruilla nopeammin kuin mikään muu vastaava laite. Uusi kytkin on ensimmäinen, joka toimii riittävän alhaisilla jännitteillä, jotta se voidaan integroida CMOS-pohjaisille piisiruille.
Kytkimen ennätysmäinen suorituskyky on merkittävä askel kohti sellaisen tietokoneen rakentamista, joka käyttää sähkön sijasta valoa tiedon käsittelyyn. Tutkijamaailmassa on epäilty, että optosähkömekaaniset kytkimet eivät olisi käytännöllisiä, koska ne olisivat kookkaita, hitaita ja vaativat niin korkeita jännitteitä, että tietotekniikkapiirit eivät sietäisi niitä.
Uudessa kytkimessä hyödynnetäänkin valon interferenssi-ilmiöitä sekä plasmoniikkaa. Kytkinrakenteissa valonsäde kulkee aaltojohteissa ja piikiekoissa. Keskeinen komponentti on ohut kultakalvo, joka on ripustettu vain muutaman kymmenen nanometrin korkeudelle piikiekosta. Osa kiekosta kulkevasta valosta vuotaa ulos ja osuu kultakalvoon, indusoimalla sen pinnalla olevia elektroniryhmiä värähtelemään plasmoneina, jotka ovat eräänlainen valoaallon ja elektroniaallon hybridi.
Plasmonit värähtelevät samalla taajuudella kuin valo, mutta niiden aallonpituus on paljon lyhyempi. Lyhyemmän aallonpituuden ansiosta plasmoneja voidaan manipuloida nanomittojen etäisyyksillä. Tämä mahdollistaa uuden kytkimen toteuttamisen äärimmäisen pienikokoisena.
Muuttamalla piikiekon ja kultakalvon välisen raon leveyttä vain muutamalla nanometrillä tutkijat voivat hidastaa tai edistää hybridivaloaallon vaihetta. Tämä on se ajankohta, jolloin aalto saavuttaa harjanteen tai laakson.
Siitä riippuen hybridivaloaallot interferoivat keskenään. Jos ne interferoivat rakentavasti, valo jatkaa alkuperäiseen suuntaansa. Jos ne interferoivat tuhoavasti, ne vaimentavat toisensa ja valon kulku estyy.
Tällöin valon on liikuttava toiseen suuntaan, joka määritetään muiden tukitun reitin läheisyyteen sijoitettujen aaltojohtimien tai reittien suunnan perusteella. Tällä tavalla valo voidaan kytkeä haluttaessa mille tahansa vaikkapa sadasta muusta kohteesta.
Tutkijat ovat aiemmin arvioineet, että plasmonijärjestelmä heikentää huomattavasti valosignaaleja, koska fotonit tunkeutuvat kultakalvon sisään, missä elektronit absorboivat suuren osan valon energiasta. Nyt tutkijat osoittivat oletuksen vääräksi. Laitteen kompaktius ja muotoilu varmistivat vain muutaman fotonin läpäisevän kalvon, mikä johti vain 2,5 prosentin hävikkiin. Aiemmissa kytkinrakenteissa hävikki on ollut 60 prosenttia. Käytännössä tämä mahdollistaa tekniikan kaupallistamisen.
Tutkijat kuvailevat kytkimen mahdollisia sovelluksia olevan esimerkiksi LIDAR-järjestelmissä ja vaikkapa optisissa hermoverkkosovelluksissa. Vähäinen energian käyttö olisi omiaan myös kvanttitietotekniikan parissa.
Ryhmä pyrkii nyt tekemään laitteesta entistä pienemmän pienentämällä piikiekon ja kultakalvon välistä etäisyyttä. Tämä vähentäisi edelleen signaalin hävikkiä, mikä tekisi tekniikasta vieläkin houkuttelevamman teollisuudelle.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 18.11.2019
