Исследователи из Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) и нескольких других научных центров разработали оптический переключатель, способный перенаправлять световой пучок между компьютерными чипами за времена порядка 20 наносекунд — значительно быстрее других подобных устройств. Компактный переключатель работает на управляющих сигналах очень низкого напряжения, и его можно встраивать в обычные кремниевые микрочипы, обеспечивая перенаправление света с очень низким ослаблением сигнала.
Такие технические характеристики переключателя позволяют говорить о шаге вперёд в построении программируемых оптических цепей, а в дальнейшем — и компьютеров, в которых для обработки информации используется луч света вместо электрического сигнала. Перенос информации частицами света — фотонами — даёт существенные преимущества по сравнению с электронными каналами связи. Фотоны движутся значительно быстрее электронов и не расходуют столько энергии на нагрев деталей компьютера. До сегодняшнего дня проблема отвода выделяющегося тепла является существенным препятствием в достижении скачка производительности компьютеров. Световые сигналы уже много десятилетий используются для передачи информации по оптоволоконным кабелям, однако оптоволоконные узлы пока занимают слишком много места, и использование этой технологии в компьютерных микросхемах поэтому остаётся проблематичным.
Новый миниатюрный переключатель использует сочетание оптических, механических и электрических эффектов и является по существу плазмонным устройством. Он содержит компоненты из золота и кремния размером в доли микрометра. Конструкция обеспечивает вывод светового луча внутрь микроскопической полости в кремниевой подложке, изменение его скорости и направления распространения. Статья девяти авторов из пяти исследовательских центров об этой разработке вышла 14 ноября в Science.
Новая технология позволяет перенаправлять световые сигналы с очень малыми энергозатратами, поэтому разработка может оказаться перспективной и в области технической реализации квантовых вычислений. Квантовый компьютер обрабатывает информацию, хранящуюся в системах из специально подготовленных и взаимодействующих между собой определённым образом квантовых кубитов — как правило, субатомных частиц, которые могут пребывать в нескольких квантовых состояниях. Такие состояния и играют роль «хранилища информации» подобно тому, как в обычных компьютерах биты информации кодируются ориентацией магнитных доменов (жёсткий диск) или зарядом микроконденсаторов (оперативная память). Однако подготовка и поддержание квантовых состояний требуют, чтобы устройство (квантовый процессор) находилось при очень низких температурах и управлялось сигналами низкой энергии. Поскольку новый нанооптический переключатель потребляет значительно меньше энергии по сравнению с предыдущими подобными разработками, он может стать составной частью чипа квантовых процессоров.
Многие исследователи, работающие в этой области, высказывают сомнения в том, что подобные оптоэлектромеханические переключатели смогут найти практическое применение из-за малого быстродействия, большого напряжения требуемых управляющих сигналов и ощутимых размеров таких устройств. По этой причине новый результат NIST может показаться неожиданным и противоречащим давним представлениям внутри научного сообщества.
Работа переключателя основана на волновой природе света: две одинаковых световых волны интерферируют, и результирующий сигнал гасится или усиливается в зависимости от того, находятся ли световые колебания в противофазе или в фазе. Световой пучок в устройстве проходит через миниатюрный волновод в кремниевом субстрате. На некотором расстоянии от начала пути часть света выходит из канала через боковой «отвод» в полость, вытравленную на расстоянии несколько нанометров в кремниевой подложке. При надлежащем подборе длины волны света пучок может много раз обогнуть полость по окружности перед выходом из неё.
Ключевым компонентом переключателя является очень тонкая мембрана из золота, подвешенная на расстоянии несколько десятков нанометров над кремниевым диском. При прохождении пучка света по окружности полости в кремнии часть света «просачивается» из неё наружу и попадает на мембрану, вызывая колебания электронов на её поверхности. Эти возбуждённые коллективные колебания электронного газа называются плазмонами — волнами, сочетающими свойства световых и электронных волн. Частота колебаний плазмона совпадает с частотой падающего света, однако длина волны значительно меньше — порядка нескольких нанометров (длина волны видимого света порядка 500 нм). Это позволяет использовать их в электронных компонентах с характерными размерами порядка нанометров.
Изменяя зазор между кремниевым диском и золотой мембраной на несколько нанометров, можно существенно изменять фазу гибридной световой волны. Такое тонкое управление достигается изгибанием золотой мембраны под воздействием электростатического заряда при приложении управляющего напряжения на контакты на мембране и кремниевой подложке.
После прохождения через систему из кремниевой полости и мембраны часть светового пучка снова соединяется с оставшимся пучком света, который продолжал двигаться по волноводу. Происходит интерференция, и в зависимости от изменения фазы части пучка в полости результирующая волна гасится или усиливается. При положительной интерференции световой пучок продолжает движение по волноводу. Если же два сигнала гасят друг друга, этот волновод оказывается заблокированным для прохождения света, и пучок можно направить в другую сторону в зависимости от расположения других волноводов поблизости. Таким образом можно менять направление движения светового пучка, перенаправляя его на любой из множества других микрочипов в соответствии с архитектурой вычислительного устройства.
Сначала предполагалось, что плазмонная система приведёт к существенному затуханию светового сигнала за счёт поглощения световой энергии электронами внутри золотой мембраны. Однако это предположение не оправдалось: благодаря миниатюрным размерам и усовершенствованной конструкции устройства при взаимодействии с мембраной теряется всего 2,5 % сигнала по сравнению с потерями порядка 60 % в предыдущих аналогичных устройствах. Это позволяет надеяться, что новая конструкция переключателя, пока даже в виде прототипа, представит практический интерес для производителей микрочипов.
Технология может найти своё применение во множестве областей. Например, в беспилотных автомобилях такой переключатель можно использовать для перенаправления пучка света при быстром сканировании всех участков дороги с определением расстояний до всех объектов в реальном времени. Эта технология может стать заменой достаточно громоздким современным лидарным системам. Также устройство можно использовать в нейронных сетях, обеспечив переход с его помощью с электрических цепей на более быстрые светооптические. Увеличение быстродействия нейронных сетей критично для таких ресурсоёмких процессов, как моделирования работы мозга в задачах распознавания образов или принятия решений.
Исследователи продолжают работать над уменьшением размеров устройства, пытаясь сократить расстояние между кремниевым диском и золотой мембраной. Это позволит ещё уменьшить ослабление сигнала и усовершенствовать технологию до уровня промышленного внедрения.
