Noi progrese privind utilizarea legăturilor optice în interiorul calculatoarelor, în locul celor electrice

Inginerii de la Stanford University au proiectat și construit un dispozitiv, similar unei prisme, care poate descompune prin refracţie o rază de lumină în fascicule de lumină de culori diferite și care poate, de asemenea, devia lumina în unghi drept. Această aplicaţie ar putea duce, în cele din urmă, la realizarea unor computere care pentru transferul datelor vor utiliza legături optice, în locul celor electrice.

În cadrul unui articol publicat în Scientific Reports, inginerii descriu ceea ce ei numesc o „legătură optică”.

Legătura optică este reprezentată de o felie de siliciu, de mici dimensiuni, care este gravată cu un model care seamănă cu un cod de bare. Când un fascicul de lumină este îndreptat spre acest model se obţin două raze de lumină având lungimi de undă diferite (culori) şi care sunt perpendiculare pe direcţia fascicolului de intrare. În acest fel rezultă un model optic în forma literei T. Această realizare reprezintă un important pas înainte pentru realizarea unui sistem complet care să poată conecta componentele unui calculator prin intermediul luminii, mai degrabă decât prin intermediul circuitelor electrice.

„Lumina poate transporta mai multe date decât un circuit electric și este nevoie de mai puţină energie pentru a transmite fotoni decât electroni”, a declarat profesorul Jelena Vuckovic, cea care a condus cercetarea.

Echipa de cercetători condusă de Jelena Vuckovic a dezvoltat anterior un algoritm care le-a permis automatizarea procesului de proiectare a structurilor optice. În acest fel s-au putut obţine structuri optice, la o scară nanometrică, pentru controlul luminii care erau de neimaginat anterior.

Jelena Vuckovic şi Alexander Piggott, un doctorand în inginerie electrică, au utilizat algoritmul menţionat anterior pentru a proiecta, construi și testa o legătură optică compatibilă cu rețelele actuale de fibră optică.

Crearea unei prisme de siliciu

Structura optică dezvoltată de Stanford University a fost realizată prin gravarea în siliciu a unui mic model similar unui cod de bare. Acesta refractă razele de lumină într-un mod similar unei prisme de mici dimensiuni. Efectul se datorează modificării vitezei luminii la trecerea acesteia prin diferite materiale.

Atunci când vorbim de viteza luminii ne referim la cât de repede se propagă aceasta în vid. Lumina se deplasează puţin mai încet în aer şi chiar mai încet în apă. Această diferență de viteză reprezintă motivul pentru care un pai aflat într-un pahar de apă pare frânt.

Mediul prin care se propagă lumina este caracterizat de o proprietate denumită indicele de refracție. Aceasta caracterizează diferența de viteză a luminii. Cu cât este mai mare valoarea indicelui de refracţie, cu atât se va deplasa lumina mai lent prin acel mediu. Aerul are un indice de refracție care are aproximativ valoarea 1, iar pentru apă valoarea indicelui de refracţie este 1,3. Radiaţia infraroşie trece prin siliciu chiar mai lent: acesta are un indice de refracție de 3,5.

Stanford University a proiectat o structură optică în care benzile de siliciu alternează cu golurile de aer într-un mod specific. Dispozitivul se bazează pe faptul că o parte din lumină este reflectată atunci când lumina trece dintr-un mediu în altul, în timp ce o altă parte se propagă mai departe. Atunci când lumina trece prin codul de bare de siliciu, lumina reflectată interferă cu lumina transmisă în diferite moduri complicate.

Prin utilizarea algoritmului Stanford s-a proiectat un cod de bare în aşa fel încât să se utilizeze această interferenţă subtilă pentru a direcționa un fascicol de lumină, având o anumită lungime de undă, către stânga și un alt fascicol de lumină având o lungime de undă diferită către dreapta, toate acestea având loc într-un mic cip de siliciu având o mărime de opt microni.

Două fascicule de lumină având lungimile de undă de 1.300 nanometri şi de 1.550 nanometri, corespunzătoare benzilor de lungimi de undă C şi O care sunt utilizate pe scară largă în rețelele de fibră optică, au fost direcţionate spre dispozitiv. În acest fel structura similară unui cod de bare a redirecţionat lumina din banda C într-o direcţie, iar lumina din banda O într-o direcţie opusă, chiar pe cip.

Optimizarea convexă

Cercetătorii au proiectat aceste modele de coduri de bare pentru ca fasciculele de lumină din banda C și din banda O să se propage în direcții opuse.

„Noi ne-am dorit ca proiectarea software a unei structuri de acest tip, având o anumită mărime, să se facă având în vedere doar semnalele dorite de intrare și de ieșire ale dispozitivului”, a declarat Vuckovic.

Pentru proiectarea dispozitivului, inginerii au utilizat concepte de optimizare convexă, o abordare matematică pentru rezolvarea unor probleme complexe cum ar fi, de exemplu, tranzacționarea pe piață de valori. Cu ajutorul profesorului Stephen Boyd de la Stanford University, un expert în optimizarea convexă, ei au reuşit să creeze în mod automat noi modele, la o scară nanometrică, care determină un anumit comportament al luminii.

Această felie de siliciu, de mici dimensiuni, care este gravată cu un model care seamănă cu un cod de bare reprezintă un pas înainte în vederea utilizării legăturilor optice în interiorul calculatoarelor, în locul celor electrice

„Timp de mulți ani, cercetătorii din nanofotonică au construit asemenea structuri folosind geometrii simple și forme regulate”, a spus Vuckovic. „Structurile proiectate cu ajutorul acestui algoritm nu se compara cu nimic din ceea ce s-a realizat anterior”.

Utilizarea algoritmului de proiectare a început cu modelarea pastilei de siliciu. Apoi, prin sute de mici ajustări, s-au identificat structuri de tip cod de bare tot mai bune care să provoace efectul dorit asupra luminii.

Modelele anterioare ale structurilor nanofotonice s-au bazat pe modele geometrice regulate și pe intuiția proiectanţilor. Cu ajutorul algoritmului Stanford se pot proiecta structuri de acest tip, în doar 15 minute, cu ajutorul unui laptop.

De asemenea, cercetătorii au folosit acest algoritm pentru a proiecta o mare varietate de alte dispozitive, cum ar fi, de exemplu, structurile super-compacte „Swiss cheese” (N.t. „brânză elvețiană”) care direcţionează fasciculele de lumină în diferite direcţii în funcție de modul în care arată acestea şi nu în funcţie de culoarea lor. De exemplu, un fascicul de lumină care în secțiune transversală arată ca un lob simplu este îndreptat spre o ieșire, în timp ce un alt fascicul care se prezintă sub forma unui lob dublu este direcţionat spre o altă ieșire. Un astfel de dispozitiv este la fel de important ca și dispozitivul sub formă de cod de bare care separă fasciculele de lumină în funcţie de culoarea lor. Toate acestea sunt utilizate în comunicațiile optice pentru a transmite informații.

Algoritmul este cheia. Acesta oferă cercetătorilor un instrument util pentru a proiecta componente optice care să îndeplinească anumite funcții specifice. În cele mai multe cazuri, aceste componente au fost create pentru prima dată. „Nu există nicio modalitate de a proiecta în mod analitic aceste tipuri de dispozitive”, a declarat Piggott.

Traducere şi adaptare după Scientists Take Big Step Toward Using Light Instead Of Wires Inside Computers