![Lichtverstrooiingsintensiteit in een silicium Mie-resonator als functie van de excitatiesterkte met resonatormaten van 100, 170 en 190 nm. De ononderbroken rode lijnen tonen de overeenkomstige lineaire reacties. Krediet: Osaka University 100.000-voudige verbetering in de niet-lineariteit van Si](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800/2020/100000folden.jpg)
Lichtverstrooiingsintensiteit in een silicium Mie-resonator als functie van de excitatiesterkte met resonatormaten van 100, 170 en 190 nm. De ononderbroken rode lijnen tonen de overeenkomstige lineaire reacties. Krediet: Osaka University
Een team van onderzoekers onder leiding van Osaka University en National Taiwan University creëerde een systeem van siliciumresonatoren op nanoschaal die kunnen dienen als logische poorten voor lichtpulsen. Dit werk kan leiden tot de volgende generatie op silicium gebaseerde computerprocessors die de kloof overbruggen tussen elektronische en optische signalen.
Silicium is een van de overvloedige elementen op onze planeet – en vormt de basis voor alle moderne computers. Dat wil zeggen, van smartphones tot mainframes, alle berekeningen gebeuren op basis van elektrische signalen die door siliciumtransistors stromen. Schakelaars en logische poorten maken van elektronische signalen is eenvoudig, omdat spanningen de stroom van andere draden kunnen regelen. Gegevens op internet worden echter voornamelijk als lichtpulsen over glasvezelkabels verzonden. De mogelijkheid om zowel data als logica volledig te besturen met licht op silicium zou tot veel snellere apparaten kunnen leiden.
De uitdaging is dat lichtdeeltjes, fotonen genaamd, nauwelijks met elkaar in wisselwerking staan, dus pulsen kunnen elkaar niet in- of uitschakelen om logische taken uit te voeren. Niet-lineaire optica is het vakgebied dat werkt om materialen te vinden waarin lichtbundels op de een of andere manier op elkaar inwerken. Helaas is de niet-lineariteit van monokristallijn silicium extreem zwak, dus in het verleden was het nodig om zeer intense lasers te gebruiken.
Nu hebben wetenschappers van de Osaka University en de National Taiwan University de niet-lineariteit van silicium 100.000 keer verhoogd door een nano-optische resonator te creëren, zodat volledig optische schakelaars kunnen worden bediend met een continue laser met laag vermogen. Ze bereikten dit door kleine resonatoren te fabriceren uit blokken silicium die kleiner zijn dan 200 nm. Laserlicht met een golflengte van 592 nm kan binnenin vast komen te zitten en de blokken snel verhitten, gebaseerd op het principe van Mie-resonantie. “Een Mie-resonantie treedt op wanneer de grootte van een nanodeeltje overeenkomt met een veelvoud van de lichtgolflengte”, zegt auteur Yusuke Nagasaki.
![Demonstratie van optische schakelaar door gecontroleerd licht (golflengte 592 nm). De intensiteit van het signaallicht (543 nm) wordt geschakeld door het aangestuurde licht AAN of UIT te zetten. Krediet: Osaka University 100.000-voudige verbetering in de niet-lineariteit van Si](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800/2020/1-100000folden.jpg)
Demonstratie van optische schakelaar door gecontroleerd licht (golflengte 592 nm). De intensiteit van het signaallicht (543 nm) wordt geschakeld door het aangestuurde licht AAN of UIT te zetten. Krediet: Osaka University
Met een nanoblok in een thermo-optisch geïnduceerde hete toestand kan een tweede laserpuls bij 543 nm bijna zonder verstrooiing passeren, wat niet het geval is wanneer de eerste laser is uitgeschakeld. Het blok kan afkoelen met relaxatietijden gemeten in nanoseconden. Deze grote en snelle niet-lineariteit leidt tot mogelijke toepassingen voor volledig optische besturing van GHz op nanoschaal. “Silicium zal naar verwachting het materiaal bij uitstek blijven voor optische geïntegreerde schakelingen en optische apparaten”, zegt senior auteur Junichi Takahara.
Het huidige werk maakt optische schakelaars mogelijk die veel minder ruimte innemen dan eerdere pogingen. Deze vooruitgang maakt de weg vrij voor directe integratie op de chip en beeldvorming met superresolutie.
Yi-Shiou Duh et al, Gigantische fotothermische niet-lineariteit in een enkele silicium nanostructuur, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038 / s41467-020-17846-6
Nature Communications
Geleverd door Osaka University