10 GHz optische transistor gemaakt van silicium

Elektronen zijn redelijk goed in het verwerken van informatie, maar niet zo goed in het overbrengen ervan over lange afstanden. Fotonen, aan de andere kant, doen geweldig werk bij het pendelen van gegevens over de planeet, maar zijn niet zo handig als het gaat om het verwerken ervan.

Dientengevolge zijn transistors elektronisch en zijn communicatiekabels optisch. En de wereld is belast met een aanzienlijke hoeveelheid energieverslindende infrastructuur voor het omzetten van elektronische informatie in de optische variant en vice versa.

Het is dus geen verrassing dat er grote belangstelling is voor het ontwikkelen van een optische transistor die de elektronische variant overbodig zou kunnen maken.

Er is echter een aanzienlijk probleem. Terwijl verschillende groepen optische schakelaars hebben gebouwd, moeten optische transistoren ook een aantal andere eigenschappen hebben zodat ze kunnen worden aangesloten op een manier die informatie kan verwerken.

Hun uitgang moet bijvoorbeeld in staat zijn om als ingang voor een andere transistor te fungeren - niet gemakkelijk als de uitgang bijvoorbeeld een andere frequentie heeft dan de ingang. Bovendien moet de uitgang in staat zijn om de ingang voor ten minste twee andere transistors aan te sturen, zodat logische signalen zich kunnen voortplanten, een eigenschap die bekend staat als fanout. Dit vereist aanzienlijke winst. Bovendien moet elke transistor de kwaliteit van het logische signaal behouden, zodat fouten zich niet voortplanten. Enzovoorts.

Het probleem is dat niemand erin is geslaagd optische transistoren te maken die alles kunnen en ook nog eens van silicium kunnen worden gemaakt.

Vandaag zeggen Leo Varghese van de Purdue University in Indiana en een paar vrienden dat ze een apparaat hebben gebouwd dat een belangrijke stap in deze richting zet.

Hun optische transistor bestaat uit een microringresonator naast een optische lijn. In normale omstandigheden komt de lichttoevoer de optische lijn binnen, gaat er langs en gaat dan uit. Maar bij een specifieke resonantiefrequentie interageert het licht met de microringresonator, waardoor de output enorm wordt verminderd. In deze toestand is de uitgang in wezen uit, ook al is de voeding ingeschakeld.

De truc die deze jongens hebben geperfectioneerd, is om een ​​andere optische lijn, de poort genaamd, te gebruiken om de microring te verwarmen, waardoor de grootte, de resonantiefrequentie en het vermogen om te communiceren met de output veranderen.

Hierdoor kan de poort de uitgang in- en uitschakelen.

Er is een extra slimme draai. De interactie van de microring met de poort is sterker dan met de toevoer-uitgangslijn. Dat is belangrijk omdat het betekent dat een klein poortsignaal een veel groter uitgangssignaal kan aansturen.

Varghese en co zeggen dat de verhouding van het poortsignaal tot de voeding bijna 6 dB is. Dat is genoeg om ten minste twee andere transistors van stroom te voorzien, wat precies de fan-out-eigenschap is die optische transistors nodig hebben.

Deze jongens hebben zelfs een apparaat gebouwd van silicium met een bandbreedte die gegevenssnelheden tot 10 GHz aankan.

Dat is een indrukwekkend resultaat, vooral de siliciumcompatibiliteit.

Desalniettemin zijn er aanzienlijke hindernissen voor een volledig optische computer die met deze apparaten is gemaakt, kan hopen te concurreren met zijn elektronische neven.

Het grootste probleem is het stroomverbruik. Een groot deel van het stroomverbruik in elektronische transistors komt voort uit de noodzaak om de lijnen die ze verbinden met de bedrijfsspanning op te laden.

In theorie zouden optische transistors nog efficiënter kunnen zijn - hun lijnen hoeven helemaal niet te worden opgeladen. Maar in de praktijk verbranden lasers energie alsof het twintig dollarbiljetten zijn. Om die reden is het helemaal niet duidelijk dat optische transistors de efficiëntie van elektronische chips kunnen evenaren.

En nu de computerindustrie verantwoordelijk is voor bijna 2 procent van de wereldwijde CO2-uitstoot, bijna evenveel als de luchtvaart, kan het stroomverbruik de overkoepelende factor blijken te zijn voor de toekomstige richting van informatieverwerking.

Referentie: arxiv.org/abs/1204.5515 : Een optische transistor van silicium

zich verstoppen