研究人员开发了全光开关，可以使计算机处理器更快
发布时间：2023-12-22 03:00:13 阅读数： 213
可调开关动态的基本原理。a双谐振双层器件包括在硅上生长的130 nm厚的TiN层，上面沉积250 nm厚的AZO层。b COMSOL Multiphysics模拟探头在不同层的归一化功耗密度。在正常入射下，325 nm波长的泵浦通过激发两种材料中的电子而被AZO和TiN强烈吸收。这些材料与各自ENZ波长附近的光相互作用最强烈。因此，在可见波长下，大多数探针与TiN相互作用，而近红外探针与AZO层相互作用更多。c泵浦使反射光谱在可见光波段红移，而在近红外波段，泵浦使反射光谱蓝移。d快慢切换机制:TiN响应时间为纳秒级，AZO响应时间为皮秒级。当被相同的泵浦激发时，该器件在可见探针波长中观察到的响应时间较慢，其行为受TiN响应支配。在增加波长时，随着探针与AZO的相对光-物质相互作用的增加，其响应速度加快。来源:《自然通讯》(Nature Communications)， 2023年出版。DOI: 10.1038/s41467-023-41377-5
由于电子开关的限制，传统的计算机处理器的“时钟速度”几乎已经达到了极限，这是一种测量它们开关速度的方法。希望改进计算机处理器的科学家们对全光开关的潜力产生了兴趣，全光开关使用光而不是电来控制数据如何处理和存储在芯片上。
美国能源部(DOE)阿贡国家实验室和普渡大学的研究人员最近创造了一种新型全光开关，可以实现这一潜力。
阿贡的Soham Saha是实验室Maria Goeppert Mayer的博士后研究员之一，他在阿贡纳米材料中心工作，该中心是美国能源部科学办公室的一个用户设施。他说:“以前的光开关迭代都是固定的开关时间，这些时间是在设备制造时‘烘烤’到设备上的。”萨哈和他的同事们用两种不同的材料制作了一个光开关，每种材料的开关时间都不同。一种材料——掺铝氧化锌的开关时间在皮秒范围内，而另一种材料——等离子体氮化钛的开关时间在纳秒范围内要慢上百倍。Saha说:“当你使用光学元件而不是电子电路时，就没有电阻-电容延迟，这意味着，从理论上讲，你可以比传统的计算机芯片快1000倍。”根据Saha的说法，两种金属组件之间切换时间的差异意味着交换机可以更灵活，更快地传输数据，同时有效地存储数据。他说:“这种开关的双金属性质意味着，根据你使用的光的波长，它可以有多种用途。”“当你想要更慢的应用时，比如内存存储，你可以使用一种材料;对于更快的应用程序，您可以切换到另一个。这个功能是新的。"
在实验配置中，开关的材料根据工作波长的不同，起到光吸收器或反射器的作用。当它们被光束打开时，它们就会切换状态。控制全光开关的速度对于优化其在各种应用中的性能至关重要。这些发现为在增强光纤通信、光计算和超快科学等领域开发高适应性和高效开关提供了希望。
调节开关速度的能力也使我们更接近于弥合光学和电子通信之间的差距，实现更快，更有效的数据传输。
这项研究为理解全光开关的基本原理提供了有价值的见解，并为设计先进的计算和电信设备铺平了道路。
基于该研究的一篇论文“工程全光开关与快、慢材料的时间动力学”发表在《自然通讯》上。
