211service.com
Nieuwe hoop voor optische signaalverwerking
Decennia lang hebben onderzoekers die elektronica ontwikkelden enorm veel succes geboekt met het bevorderen van bijna elke toepassing die te maken heeft met informatieverwerking: volgens de wet van Moore verdubbelde de gegevensdichtheid op een elektronische chip elke 18 maanden. Hoewel deze exponentiële groei waarschijnlijk nog een tijdje zal aanhouden, wordt verwacht dat inherente fysieke beperkingen voorkomen dat deze voor onbepaalde tijd aanhoudt. Sommige van deze beperkingen zijn al duidelijk: aangezien elektronica in computers gedwongen wordt om op steeds hogere frequenties te werken, wordt vermogensdissipatie en de daaruit voortvloeiende hardwareverwarming een zeer ernstig probleem. In knooppunten van optische telecommunicatienetwerken, waar gegevens elektronisch moeten worden verwerkt met bijzonder hoge operationele frequenties, is het probleem zelfs nog groter.
Illustratie door Eric Hanson
In het besef dat elektronische signaalverwerking uiteindelijk met een fundamentele fysieke beperking te maken zou krijgen, onderzochten ingenieurs in het begin van de jaren tachtig de mogelijkheid om een optische computer te bouwen, waarin gegevens zouden worden gedragen door licht (fotonen) in plaats van door geladen dragers (elektronen). Ze hadden het niet gemakkelijk. Echte volledig optische signaalverwerking vereist een manier om licht te beïnvloeden met licht zelf. Dat wil zeggen, men moet materialen gebruiken met optische eigenschappen die kunnen worden gewijzigd door de aanwezigheid van een lichtsignaal; dit kan worden gebruikt om een ander lichtsignaal te beïnvloeden, waardoor een volledig optische signaalverwerking wordt uitgevoerd. Helaas zijn deze effecten meestal buitengewoon zwak, dus de voorgestelde optische logische elementen van de jaren tachtig waren te groot; ze verbruikten orden van grootte te veel stroom om haalbaar te zijn. Mensen begonnen optische signaalverwerking als onpraktisch te beschouwen.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2006
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
Nu de grenzen van de elektronica echter veel dichterbij komen, zijn ingenieurs zich weer gaan richten op optica. Het is inderdaad waarschijnlijk dat het datatransport tussen verschillende componenten van desktopcomputers (tussen verschillende delen van de processor, en tussen het geheugen en de processor) binnenkort optisch zal plaatsvinden. Naarmate de behoefte groeit aan fysieke mechanismen die ons vermogen om licht te manipuleren verbeteren, zijn fotonische kristallen (die in 1987 werden uitgevonden) naar voren gekomen als een veelbelovende manier om hieraan te voldoen.
Fotonische kristallen zijn kunstmatig gecreëerde nanogestructureerde metamaterialen waarvan de optische eigenschappen periodiek variëren op de schaal van de golflengte van licht. Soms worden ze halfgeleiders voor fotonen genoemd, maar fotonische kristallen bieden ongekende mogelijkheden om de lichtstroom te vormen. Ze zijn bijvoorbeeld gebruikt om volledig optische schakelaars te maken die kleiner zijn dan een micrometer en een orde van grootte sneller zijn dan transistors die worden gebruikt in commerciële elektronica. Bovendien zijn fotonische kristalontwerpen voorgesteld die niet-lineaire interactie mogelijk zouden kunnen maken, zelfs tussen afzonderlijke fotonen. Deze materialen zouden dus de opvatting dat optische interacties te zwak zijn om voor signaalverwerking te gebruiken, drastisch kunnen veranderen.
Optische technologieën zullen steeds dieper doordringen in elektronische ontwerpen en fotonische kristallen zullen een belangrijke rol spelen om dit mogelijk te maken. Informatieverwerking zal in de nabije toekomst dus waarschijnlijk gebeuren door hybride elektronische en optische ontwerpen, waarbij optica een steeds belangrijkere rol gaat spelen.
Marin Soljacic is een assistent-professor natuurkunde aan het MIT en lid van de TR35 van dit jaar.