Os engenheiros da Caltech desenvolveram um switch - um dos componentes mais fundamentais da computação - usando componentes ópticos, em vez de eletrônicos. O desenvolvimento pode ajudar os esforços para alcançar processamento e computação de sinais totalmente ópticos ultrarrápidos.
Dispositivos ópticos têm a capacidade de transmitir sinais muito mais rápido do que dispositivos elétricos usando pulsos de luz em vez de sinais elétricos. É por isso que os dispositivos modernos geralmente empregam ótica para enviar dados; por exemplo, pense nos cabos de fibra óptica que fornecem velocidades de internet muito mais rápidas do que os cabos Ethernet convencionais.

O campo da ótica tem o potencial de revolucionar a computação fazendo mais, em velocidades mais rápidas e com menos energia. No entanto, uma das principais limitações dos sistemas baseados em óptica no momento é que, em certo ponto, eles ainda precisam ter transistores baseados em eletrônica para processar os dados com eficiência.

Agora, usando o poder da não linearidade óptica (mais sobre isso depois), uma equipe liderada por Alireza Marandi, professora assistente de engenharia elétrica e física aplicada da Caltech, criou um switch totalmente óptico. Tal switch poderia eventualmente habilitar o processamento de dados usando fótons. A pesquisa foi publicada na revista Nature Photonics em 28 de julho.

Os switches estão entre os componentes mais simples de um computador. Um sinal entra no switch e, dependendo de certas condições, o switch permite que o sinal avance ou o interrompe. Essa propriedade liga/desliga é a base das portas lógicas e da computação binária, e é para isso que os transistores digitais foram projetados. No entanto, até este novo trabalho, alcançar a mesma função com a luz provou ser difícil. Ao contrário dos elétrons nos transistores, que podem afetar fortemente o fluxo uns dos outros e, assim, causar "comutação", os fótons geralmente não interagem facilmente uns com os outros.

Duas coisas tornaram o avanço possível:o material que a equipe de Marandi usou e a maneira como eles o usaram. Primeiro, eles escolheram um material cristalino conhecido como niobato de lítio, uma combinação de nióbio, lítio e oxigênio que não ocorre na natureza, mas que, nos últimos 50 anos, provou ser essencial para o campo da óptica. O material é inerentemente não linear:devido à maneira especial como os átomos estão dispostos no cristal, os sinais ópticos que ele produz como saídas não são proporcionais aos sinais de entrada.

Embora os cristais de niobato de lítio tenham sido usados ​​em óptica há décadas, mais recentemente, os avanços nas técnicas de nanofabricação permitiram que Marandi e sua equipe criassem dispositivos fotônicos integrados à base de niobato de lítio que permitem o confinamento da luz em um espaço minúsculo. Quanto menor o espaço, maior a intensidade da luz com a mesma quantidade de energia. Como resultado, os pulsos de luz que transportam informações através de tal sistema óptico podem fornecer uma resposta não linear mais forte do que seria possível.

Marandi e seus colegas também limitaram a luz temporariamente. Essencialmente, eles diminuíram a duração dos pulsos de luz e usaram um design específico que manteria os pulsos curtos à medida que se propagavam pelo dispositivo, o que resultou em cada pulso com maior potência de pico.

O efeito combinado dessas duas táticas – o confinamento espaço-temporal da luz – é aumentar substancialmente a força da não linearidade para uma determinada energia de pulso, o que significa que os fótons agora afetam uns aos outros com muito mais força.

O resultado final é a criação de um divisor não linear no qual os pulsos de luz são roteados para duas saídas diferentes com base em suas energias, o que permite que a comutação ocorra em menos de 50 femtossegundos (um femtosegundo é um quadrilionésimo de segundo). Em comparação, comutadores eletrônicos de última geração levam dezenas de picossegundos (um picosegundo é um trilionésimo de segundo), uma diferença de muitas ordens de magnitude.

O artigo é intitulado "Femtojoule femtosecond all-optical switching em nanofotônicos de niobato de lítio". + Explorar mais

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