Işığı çok düşük sinyal kaybıyla yönlendiren ilk anahtar.
Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’ndeki (NIST) araştırmacılar, bir saniyenin sadece 20 milyarda birinde bir bilgisayar çipinden diğerine ışık yönlendiren bir optik anahtar geliştirdiler. Kompakt anahtar, düşük maliyetli silikon yongalara entegre edilebilecek kadar düşük voltajlarda çalışan ve ışığı çok düşük sinyal kaybıyla yönlendiren ilk düğme olma özelliği taşımaktadır.
Anahtarın rekor kıran performansı, bilgileri işlemek için elektrik yerine ışık kullanan bir bilgisayar oluşturmaya doğru atılmış büyük bir adımdır. Işık parçacıklarının dayanması (fotonlar) verilerin bir bilgisayar içinde taşınması, elektronik iletişimden daha fazla avantaj sunmaktadır. Fotonlar elektronlardan daha hızlı hareket eder ve bilgisayar bileşenlerini ısıtarak enerji harcamazlar. Bu atık ısıyı yönetmek, bilgisayar performansını arttırmak için büyük bir engeldir. Optik sinyaller kullanılarak uzun mesafelerde bilgi iletmek için yıllardır ışık sinyalleri kullanılmıştır ancak fiberler bir bilgisayar çipinde veri taşımak için çok fazla yer kaplarlar.
Yeni anahtar; minyatür bir yarış pistinin içine ve dışına ışık vermek, hızını değiştirmek ve sürüş yönünü değiştirmek için yoğun olarak paketlenmiş nanometre ölçeğinde altın ve silikon optik, elektrik ve mekanik bileşenleri bir araya getirmektedir. (Bir nanometre bir metrenin milyarda biridir.)
Sürücüsüz otomobillerde, anahtar diğer otomobillere ve yayalara olan mesafeyi ölçmek için sürekli olarak yolun tüm bölümlerini taraması gereken tek bir ışık huzmesini hızla yönlendirebilir. Cihaz ayrıca sinir ağlarında elektrik tabanlı olanların yerine daha güçlü ışık tabanlı devrelerin kullanılmasını kolaylaştırabilir. Bunlar, insan beynindeki nöronların, örüntü tanıma ve risk yönetimi gibi karmaşık görevler hakkında nasıl karar verdiğini taklit eden yapay zeka sistemleridir.
Yeni teknoloji ayrıca ışık sinyallerini yönlendirmek için çok daha az enerji kullanır. Bu özellik kuantum hesaplama hayalini gerçekleştirmeye yardımcı olabilir. Bir kuantum bilgisayar, özel olarak hazırlanmış subatomik parçacık çiftleri arasındaki ince ilişkilerde depolanan verileri işler. Bununla birlikte, bu ilişkiler son derece kırılgandır ve bir bilgisayarın ultra düşük sıcaklıklarda ve düşük güçte çalışmasını ve böylece parçacık çiftlerinin mümkün olduğu kadar az rahatsız edilmesini gerektirir. Yeni optik anahtar, önceki optik anahtarların aksine, çok az enerji gerektirdiğinden, kuantum bilgisayarın ayrılmaz bir parçası olabilir.
Anahtar, ışığın dalga yapısını kullanır. İki özdeş ışık dalgası birleştiğinde, bir dalganın tepesinin diğerinin tepesini hizaladığı veya güçlendirdiği ve yapıcı girişim olarak bilinen parlak bir desen oluşturacağı şekilde üst üste gelebilirler.
İki dalga da tam olarak adım dışı olabilir, böylece bir dalganın vadisi diğerinin tepesini iptal eder ve karanlık bir desene yıkıcı enterferansa neden olur.
Bir ışık huzmesi olarak bilinen tüp şeklindeki bir kanal olan minyatür bir karayolu içinde hareket etmek üzere bir ışık huzmesi kapatılmıştır. Bu lineer otoyol kapalı bir rampaya sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Işığın bir kısmı sadece birkaç nanometre uzakta, bir silikon diske oyulmuş olan yarış pisti şeklindeki bir boşluğa çıkabilir. Işık tam olarak doğru dalga boyuna sahipse, silikon boşluğunu terk etmeden önce yarış pistinin etrafında birçok kez vuruş yapabilir.
Bu anahtarın çok önemli bir bileşeni daha vardır: Silikon disk üzerinde sadece birkaç on nanometre asılı ince bir altın membran. Silikon yarış pistinde dolaşan ışığın bir kısmı sızıntı yapar ve zardan vurur, zar yüzeyindeki elektron gruplarını salınmaya zorlar. Plazmonlar olarak bilinen bu salınımlar, bir ışık dalgası ile bir elektron dalgası arasında bir melezdir. Salınımlı elektronlar gelen ışık dalgasına aynı frekansta titreştikleri için benzerler ancak daha kısa bir dalga boyuna sahiptirler. Daha kısa dalga boyu, araştırmacıların salınımları tekrar ışığa dönüştürmeden önce, orijinal ışık dalgasının uzunluğundan çok daha kısa olan nano ölçekli mesafelerdeki plazmaları manipüle etmelerini sağlar. Bu da optik anahtarın son derece kompakt kalmasını sağlar.
Araştırmacılar, silikon disk ve altın membran arasındaki boşluğun genişliğini sadece birkaç nanometre ile değiştirerek, hibrit ışık dalgasının fazını geciktirebilir veya ilerletebilirler. Altın zarını elektrostatik olarak bükerek gerçekleştirdiği boşluğun genişliğindeki küçük değişiklikler bile fazı büyük ölçüde değiştirmektedir.
Takımın dalganın fazını ne kadar ilerlettiğine veya geciktirdiğine bağlı olarak, tüp şeklindeki otoyolda hala hareket eden ışıkla yeniden birleştiğinde, iki ışın yapıcı veya tahrip edici şekilde etkileşime girer. Işık huzmeleri, yapıcı bir şekilde karışmak için eşleşirse, ışık, tüpten aşağı doğru hareket ederek orijinal yönünde devam edecektir. Fakat ışık huzmeleri yıkıcı bir şekilde müdahale ederse, birbirlerini iptal ederlerse, bu yol engellenir. Bunun yerine, ışığın, diğer dalga kılavuzlarının veya engellenen yola yakın yerleştirilmiş rotaların yönlendirmesiyle belirlenen başka bir yönde hareket etmesi gerekir. Bu sayede, ışık yüzlerce bilgisayar yongasının herhangi birine istenirse açılabilir.
Bilim adamları bir zamanlar plazmonik bir sistemin ışık sinyallerini büyük ölçüde azaltacağını düşünmüştü çünkü fotonlar elektronların ışık enerjisinin çoğunu absorbe edeceği altın zarın içine nüfuz edecekti.
Ancak araştırmacılar bu varsayımın yanlış olduğunu ispatladılar. Cihazın kompaktlığı ve az sayıdaki fotonun zara nüfuz etmesini sağlayan bir tasarım, önceki anahtarlarla% 60’a kıyasla, ışık sinyalinin sadece% 2,5’inde bir kayba neden oldu.
Çalışmada görev alan uzmanlar şimdi silikon disk ile altın membran arasındaki mesafeyi kısaltarak cihazı daha da küçültmek için çalışıyorlar. Bu, sinyal kaybını daha da azaltacak ve teknolojiyi endüstriye daha çekici hale getirecektir.