Doorbraak bij optische schakelaars

 

Supersnel schakelende chips dankzij nieuwe schakelaarInformatie versturen met een snelheid van 1000 GHz ? Dat kan met een nieuwe, supersnelle optische schakelaar.

Die schakelt aan en uit in een recordtijd van minder dan 1 picoseconde (een miljoenste van een miljoenste seconde). Hij is ontwikkeld door wetenschappers van de Universiteit Twente, het FOM-instituut AMOLF in Amsterdam en het Institute for Nanoscience and Cryogenics (CEA/INAC) in Grenoble.

Optische schakelaars voor meer snelheid

Schakelaars komen in groten getale voor in computers en aanpalende apparatuur. Ze zijn cruciaal voor het manipuleren van informatie die in bits is gecodeerd. Om informatieverwerking sneller te maken, wordt wereldwijd hard gewerkt aan de realisatie van optische schakelaars. Die verwerken informatie in de vorm van lichtpulsen.

Materialen beperken snelheid schakelaars

 De snelheid van zulke schakelaars wordt beperkt door de eigenschappen van de gebruikte materialen. In moderne wetenschap en technologie worden vaak halfgeleidende materialen zoals GaAs (galliumarsenide) en AlAs (aluminiumarsenide) gebruikt met kleine holtes erin.

Die holtes kunnen op een schaal van enkele micrometers gemaakt worden. Dat is maar één honderdste van de dikte van een mensenhaar. Deze ‘microholtes’ kun je integreren op chips. Maar ze worden ook gebruikt om e-mail, internet en tv-signalen te verzenden als optische signalen. (Zie de illustraties onderaan.)

Dansen op de maat van laserlicht

 De onderzoekers zetten een controle-laserpuls in, die de eigenschappen van de microholte onmiddellijk verandert. Dat deden ze door gebruik te maken van het elektronische Kerr-effect. Kort gezegd komt het Kerr-effect er op neer dat de polariserende eigenschappen van een medium veranderen door een extern aangelegd elektrisch veld.

De wetenschappers profiteren zodoende van enorm snelle beweging van elektronen in halfgeleiders, die ‘dansen op de maat van het laserlicht’. Dia maakt de schakelaar extreem snel. Ze moesten hiervoor de kleur van de controlelaser heel nauwkeurig afstemmen, zodat er geen absorptie van licht was. De eigenschappen van de holte worden dan alleen geschakeld bij aanwezigheid van zowel de signaal- als de controlepulsen.

Sneller schakelen dan terahertz

 De nieuwe schakelaar is een enorme stap vooruit. Hij is niet beperkt tot een bepaald soort halfgeleidend materiaal of ontwerp van een holte. En er is veel flexibiliteit wat betreft de kleur van het controlelicht. Met deze schakelaar zou informatie sneller dan 1000 GHz verstuurd kunnen worden. Dat is enkele honderden malen sneller dan de kloksnelheid van een snelle PC.

Toekomstig onderzoek zal gericht zijn op verkleining van het systeem, zodat on-chip toepassingen te realiseren zijn. Omdat computersnelheid voortdurend wordt verhoogd door parallel processing, belooft de nieuwe schakelaar datacommunicatie op meer dan terahertz-snelheid.

Lees ook:

 Wilt u echt snel internet ?

Figuur 1. Grafische weergave van hoe de ultrasnelle optische schakelaar werkt.

Boven: als wit licht naar de holte gezonden wordt, interfereert alleen blauw licht constructief in de holte. Dit wordt uitgezonden. Deze situatie definieert een ‘nul-bit’.

Midden: als controle- en signaallichtpuls tegelijkertijd aankomen, wordt de holte aangeschakeld door het controlelicht. Als gevolg hiervan wordt het rode licht door de holte uitgezonden. Dit definieert een ‘één-bit’. Het controlelicht is op de afbeelding gemarkeerd met een groene ster.

Onder: kort hierna keert de toestand terug naar de uitgangssituatie.

Figuur 2Aan- en uitschakelcyclus. 

Boven: gemeten (cirkels) en theoretische (rode curve) resonantiefrequenties van de holte, afgezet tegen de vertraging tussen signaal- en controlepulsen. De resonantiefrequentie neemt snel af en keert daarna terug naar de startwaarde. De aan- en uitschakelcyclus duurt minder dan 1 picoseconde.

Onder: reflectiviteitsmeting aan de holteresonantie laat een erg snelle afname en terugkeer naar de startwaarde zien. Door een drempelwaarde in te stellen kan onderscheid gemaakt worden tussen een digitale ‘0’ en ‘1’, die erg snel omgeschakeld worden.

Over Renske Cramer
Ik ben gepensioneerd communicatie- en marketingadviseur. Ik houd me bezig met dingen die nóg leuker zijn dan werken ;-)

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s