Цифровое будущее может зависеть от оптических переключателей, которые будут в миллион раз быстрее, чем современные транзисторы

Если вы когда-нибудь хотели, чтобы у вас был более быстрый телефон, компьютер или подключение к Интернету, вы сталкивались с личным опытом достижения предела технологий. Но может быть помощь в пути.

За последние несколько десятилетий ученые и инженеры, такие как я, работали над разработкой более быстрых транзисторов — электронных компонентов, лежащих в основе современных электронных и цифровых коммуникационных технологий. Эти усилия были основаны на категории материалов, называемых полупроводниками, которые обладают особыми электрическими свойствами. Кремний, пожалуй, самый известный пример этого типа материала.

Но около десяти лет назад научные усилия достигли предела скорости полупроводниковых транзисторов. Исследователи просто не могут заставить электроны двигаться быстрее через эти материалы. Один из способов, которым инженеры пытаются преодолеть ограничения скорости, присущие прохождению тока через кремний, — это проектирование более коротких физических цепей, что, по сути, дает электронам меньшее расстояние для перемещения. Увеличение вычислительной мощности чипа сводится к увеличению количества транзисторов. Однако даже если исследователям удастся сделать транзисторы очень маленькими, они не будут достаточно быстрыми для более быстрой обработки и передачи данных, которые потребуются людям и предприятиям.

Работа моей исследовательской группы направлена ​​на разработку более быстрых способов передачи данных с использованием сверхбыстрых лазерных импульсов в свободном пространстве и оптического волокна. Лазерный свет проходит через оптическое волокно практически без потерь и с очень низким уровнем шума.

В нашем последнем исследовании, опубликованном в феврале 2023 года в журнале Science Advances, мы сделали шаг в этом направлении, продемонстрировав, что можно использовать лазерные системы, оснащенные оптическими транзисторами, которые для перемещения электронов и переноса зависят от фотонов, а не от напряжения. информацию гораздо быстрее, чем существующие системы, и делают это более эффективно, чем оптические переключатели, о которых сообщалось ранее.

На самом фундаментальном уровне цифровая передача включает в себя включение и выключение сигнала для представления единиц и нулей. Электронные транзисторы используют напряжение для отправки этого сигнала: когда напряжение заставляет электроны течь через систему, они сигнализируют 1; когда электронов нет, это сигнализирует об 0. Для этого требуется источник, излучающий электроны, и приемник, чтобы их обнаружить.

Наша система сверхбыстрой оптической передачи данных основана на свете, а не на напряжении. Наша исследовательская группа — одна из многих, работающих над оптической связью на уровне транзисторов — строительных блоков современных процессоров — чтобы обойти текущие ограничения кремния.

Наша система контролирует отраженный свет для передачи информации. Когда свет падает на кусок стекла, большая его часть проходит сквозь него, хотя некоторая часть может отражаться. Это то, что вы ощущаете как блики, когда едете навстречу солнечному свету или смотрите в окно.

Мы используем два лазерных луча, передаваемых от двух источников, проходящих через один и тот же кусок стекла. Один луч является постоянным, но его прохождение через стекло контролируется вторым лучом. Используя второй луч для изменения свойств стекла с прозрачного на отражающее, мы можем запускать и останавливать передачу постоянного луча, очень быстро переключая оптический сигнал с включения на выключение и обратно.

С помощью этого метода мы можем менять свойства стекла гораздо быстрее, чем современные системы могут отправлять электроны. Таким образом, мы можем отправлять гораздо больше сигналов включения и выключения — нулей и единиц — за меньшее время.

Наше исследование сделало первый шаг к передаче данных в миллион раз быстрее, чем если бы мы использовали обычную электронику. В случае с электронами максимальная скорость передачи данных составляет наносекунду, одну миллиардную долю секунды, что очень быстро. Но сконструированный нами оптический переключатель смог передавать данные в миллион раз быстрее, на что ушло всего несколько сотен аттосекунд.

Мы также смогли безопасно передавать эти сигналы, чтобы злоумышленник, попытавшийся перехватить или изменить сообщения, потерпел неудачу или был обнаружен.

Использование лазерного луча для передачи сигнала и регулировка интенсивности его сигнала с помощью стекла, управляемого другим лазерным лучом, означает, что информация может передаваться не только быстрее, но и на гораздо большие расстояния.