27 ژوئن 2023نوشته محمد حسن، گفتگو-سوئیچ نوری فوق سریع آزمایشگاه. اعتبار: محمد حسن، دانشگاه آریزونا، CC BY-ND
اگر تا به حال آرزو کرده اید که ای کاش تلفن، رایانه یا اتصال اینترنت سریع تری داشته باشید، با تجربه شخصی مواجه شده اید که به محدودیت های فناوری دست یافته اید. اما ممکن است کمکی در راه باشد.
در طول چندین دهه گذشته، دانشمندان و مهندسانی مانند من برای توسعه ترانزیستورهای سریعتر، قطعات الکترونیکی زیربنای فناوری های مدرن ارتباطات الکترونیکی و دیجیتالی کار کرده اند. این تلاش ها بر اساس دسته ای از مواد به نام نیمه هادی ها صورت گرفته است که خواص الکتریکی خاصی دارند. سیلیکون شاید بهترین نمونه شناخته شده از این نوع مواد باشد.
اما حدود یک دهه پیش، تلاش های علمی به محدودیت سرعت ترانزیستورهای مبتنی بر نیمه هادی رسید. محققان به سادگی نمی توانند باعث شوند که الکترون ها در این مواد با سرعت بیشتری حرکت کنند. یکی از راه‌هایی که مهندسان در تلاش برای رسیدگی به محدودیت‌های سرعت ذاتی در حرکت جریان از طریق سیلیکون هستند، طراحی مدارهای فیزیکی کوتاه‌تر است که اساساً به الکترون‌ها فاصله کمتری برای حرکت می‌دهد. افزایش قدرت محاسباتی یک تراشه به افزایش تعداد ترانزیستورها منجر می شود. با این حال، حتی اگر محققین بتوانند ترانزیستورها را بسیار کوچک کنند، برای پردازش سریعتر و سرعت انتقال داده که افراد و کسب و کار ها به آن نیاز دارند، به اندازه کافی سریع نخواهند بود.
هدف کار گروه تحقیقاتی من ایجاد راه‌های سریعتر برای جابه‌جایی داده‌ها، با استفاده از پالس‌های لیزر فوق‌سریع در فضای آزاد و فیبر نوری است. نور لیزر از فیبر نوری تقریباً بدون تلفات و با سطح بسیار کم نویز عبور می کند.
در جدیدترین مطالعه ما که در فوریه 2023 در Science Advances منتشر شد، گامی به سوی آن برداشتیم و نشان دادیم که می‌توان از سیستم‌های مبتنی بر لیزر مجهز به ترانزیستورهای نوری استفاده کرد که برای حرکت الکترون‌ها و انتقال به جای ولتاژ به فوتون‌ها وابسته هستند. اطلاعات بسیار سریع تر از سیستم های فعلی – و این کار را موثرتر از سوئیچ های نوری گزارش شده قبلی انجام دهید.
در اساسی ترین سطح، انتقال دیجیتال شامل یک سیگنال روشن و خاموش می شود تا یک و صفر را نشان دهد. ترانزیستورهای الکترونیکی از ولتاژ برای ارسال این سیگنال استفاده می کنند: هنگامی که ولتاژ باعث می شود الکترون ها در سیستم جریان پیدا کنند، سیگنال 1 را می دهند. هنگامی که هیچ الکترونی در جریان نیست، سیگنال 0 را نشان می دهد. این به یک منبع برای انتشار الکترون ها و یک گیرنده برای شناسایی آنها نیاز دارد.
سیستم انتقال داده های نوری فوق سریع ما بر اساس نور است تا ولتاژ. گروه تحقیقاتی ما یکی از بسیاری از گروه‌هایی است که با ارتباطات نوری در سطح ترانزیستور – بلوک‌های سازنده پردازنده‌های مدرن – برای دور زدن محدودیت‌های فعلی با سیلیکون کار می‌کنند.
سیستم ما نور منعکس شده را برای انتقال اطلاعات کنترل می کند. هنگامی که نور به یک تکه شیشه می تابد، بیشتر آن از آن عبور می کند، هرچند ممکن است کمی منعکس شود. این همان چیزی است که هنگام رانندگی به سمت نور خورشید یا نگاه کردن از پنجره به عنوان تابش خیره کننده تجربه می کنید.
ما از دو پرتو لیزری استفاده می کنیم که از دو منبع که از یک تکه شیشه عبور می کنند، منتقل می شود. یک پرتو ثابت است، اما انتقال آن از طریق شیشه توسط پرتو دوم کنترل می شود. با استفاده از پرتو دوم برای تغییر خواص شیشه از شفاف به بازتابی، می‌توانیم انتقال پرتو ثابت را شروع و متوقف کنیم و سیگنال نوری را خیلی سریع از حالت روشن به خاموش و دوباره برگردانیم.
با این روش، ما می توانیم خواص شیشه را خیلی سریع تر از سیستم های فعلی که می توانند الکترون ارسال کنند، تغییر دهیم. بنابراین ما می‌توانیم سیگنال‌های روشن و خاموش بیشتری – صفر و یک – را در زمان کمتری ارسال کنیم.
مطالعه ما اولین گام را برای انتقال داده‌ها 1 میلیون برابر سریعتر از زمانی که از وسایل الکترونیکی معمولی استفاده می‌کردیم، برداشت. با الکترون ها، حداکثر سرعت برای انتقال داده ها یک نانوثانیه، یک میلیاردم ثانیه است که بسیار سریع است. اما سوئیچ نوری که ما ساختیم قادر بود داده ها را میلیون ها بار سریعتر منتقل کند که فقط چند صد آتوثانیه طول کشید.
ما همچنین می‌توانستیم آن سیگنال‌ها را به‌طور ایمن ارسال کنیم تا مهاجمی که سعی در رهگیری یا تغییر پیام‌ها دارد، شکست بخورد یا شناسایی شود.
استفاده از پرتو لیزر برای حمل سیگنال، و تنظیم شدت سیگنال آن با شیشه ای که توسط پرتو لیزر دیگری کنترل می شود، به این معنی است که اطلاعات می توانند نه تنها سریع تر، بلکه مسافت های بسیار بیشتری را نیز طی کنند.
به عنوان مثال، تلسکوپ فضایی جیمز وب اخیراً تصاویر خیره کننده ای را از دوردست ها در فضا مخابره کرده است. این تصاویر به عنوان داده از تلسکوپ به ایستگاه پایه روی زمین با سرعت یک “روشن” یا “خاموش” در هر 35 نانوثانیه با استفاده از ارتباطات نوری منتقل شدند.
یک سیستم لیزری مانند آنچه که ما در حال توسعه آن هستیم، می‌تواند سرعت انتقال را میلیاردها برابر کند و امکان کاوش سریعتر و واضح‌تر در اعماق فضا را فراهم کند و اسرار کیهان را سریعتر فاش کند. و روزی کامپیوترها ممکن است روی نور کار کنند.
