211service.com
Nytt hopp för optisk signalbehandling
I decennier har forskare som utvecklar elektronik haft enorm framgång med att utveckla nästan alla tillämpningar som har att göra med informationsbehandling: enligt Moores lag har datatätheten på ett elektroniskt chip fördubblats var 18:e månad. Även om denna exponentiella tillväxt sannolikt kommer att fortsätta ett tag, förväntas inneboende fysiska begränsningar förhindra att den varar på obestämd tid. Några av dessa begränsningar är redan uppenbara: eftersom elektronik i datorer tvingas arbeta med allt högre frekvenser, blir strömförlust och åtföljande hårdvaruuppvärmning ett mycket allvarligt problem. I noder i optiska telekommunikationsnätverk, där data behöver behandlas elektroniskt med särskilt höga driftsfrekvenser, är problemet ännu mer betydande.
Illustration av Eric Hanson
Insåg att elektronisk signalbehandling så småningom skulle möta en grundläggande fysisk begränsning, undersökte ingenjörer i början av 1980-talet möjligheten att bygga en optisk dator, där data skulle bäras av ljus (fotoner) istället för av laddade bärare (elektroner). De hade det inte lätt. Äkta helt optisk signalbehandling kräver ett sätt att påverka ljuset med själva ljuset. Det vill säga att man måste använda material med optiska egenskaper som kan modifieras genom närvaron av en ljussignal; detta kan användas för att påverka en annan ljussignal och därigenom utföra en helt optisk signalbehandlingsoperation. Tyvärr tenderar dessa effekter att vara utomordentligt svaga, så de föreslagna optiska logikelementen från 1980-talet var för stora; de förbrukade storleksordningar för mycket ström för att vara genomförbara. Folk började se optisk signalbehandling som opraktisk.
Den här historien var en del av vårt novembernummer 2006
- Se resten av frågan
- Prenumerera
Men nu, när elektronikens gränser närmar sig mycket närmare, har ingenjörer börjat vända sig till optik igen. Det är faktiskt sannolikt att datatransport mellan olika komponenter i stationära datorer (mellan olika delar av processorn och mellan minnet och processorn) snart kommer att utföras optiskt. När behovet växer av fysiska mekanismer som förbättrar vår förmåga att manipulera ljus, har fotoniska kristaller (som uppfanns 1987) dykt upp som ett lovande sätt att möta det.
Fotoniska kristaller är artificiellt skapade nanostrukturerade metamaterial vars optiska egenskaper varierar periodiskt i ljusets våglängds skala. Ibland kallade halvledare för fotoner, fotoniska kristaller erbjuder oöverträffade möjligheter att forma ljusflödet. Till exempel har de använts för att skapa helt optiska switchar som är mindre än en mikrometer i storlek och en storleksordning snabbare än transistorer som används i kommersiell elektronik. Dessutom har fotoniska kristalldesigner föreslagits som skulle kunna möjliggöra olinjär interaktion även mellan enstaka fotoner. Dessa material kan således dramatiskt förändra synen på att optiska interaktioner är för svaga för att användas för signalbehandling.
Optisk teknik kommer att fortsätta tränga djupare in i elektronisk design, och fotoniska kristaller kommer att spela en stor roll för att göra detta möjligt. Informationsbehandling inom en snar framtid kommer därför troligen att utföras av hybrid elektroniska och optiska konstruktioner, där optik kommer att få en allt viktigare roll.
Marin Soljacic är biträdande professor i fysik vid MIT och medlem i årets TR35.