يمكن أن يؤدي التبديل البصري الجديد من Caltech إلى معالجة إشارة فائقة السرعة
طور المهندسون في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) مفتاحًا – أحد المكونات الأساسية للحوسبة – باستخدام مكونات بصرية، وليست إلكترونية. يمكن أن يساعد هذا التطور الجهود المبذولة لتحقيق معالجة وحوسبة إشارات ضوئية فائقة السرعة.
باستخدام نبضات الضوء بدلاً من الإشارات الكهربائية، تتمتع الأجهزة الضوئية بالقدرة على إرسال الإشارات بشكل أسرع بكثير من الأجهزة الكهربائية. هذا هو السبب في أن الأجهزة الحديثة غالبًا ما تستخدم البصريات لإرسال البيانات. على سبيل المثال، توفر كابلات الألياف الضوئية سرعات إنترنت أسرع بكثير من كبلات إيثرنت التقليدية.
من خلال القيام بالمزيد، بسرعات أعلى، وبطاقة أقل، فإن مجال البصريات لديه القدرة على إحداث ثورة في الحوسبة. ومع ذلك، فإن أحد القيود الرئيسية للأنظمة القائمة على البصريات اليوم هو أنها، في مرحلة معينة، لا تزال بحاجة إلى ترانزستورات قائمة على الإلكترونيات لمعالجة البيانات بكفاءة.
الآن، باستخدام قوة اللاخطية البصرية (المزيد عن ذلك لاحقًا))، قام فريق من المهندسين بقيادة علي رضا ماراندي ، الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية والفيزياء التطبيقية في معهد كاليفورنيا لللتكنولوجيا،بإنشاء مفتاح ضوئي بالكامل. يمكن لمثل هذا المفتاح في النهاية تمكين معالجة البيانات باستخدام الفوتونات. نُشر البحث في 28 يوليو في مجلة Nature Photonics .
تعد المحولات من بين أبسط مكونات الكمبيوتر. تأتي إشارة إلى المفتاح، واعتمادًا على ظروف معينة، فإن المفتاح إما يسمح للإشارة بالتحرك إلى الأمام أو إيقافها. خاصية التشغيل / الإيقاف هذه هي أساس البوابات المنطقية والحساب الثنائي، وهو ما تم تصميم الترانزستورات الرقمية لتحقيقه. ومع ذلك، حتى هذا الاختراق الجديد، كان تحقيق نفس الوظيفة مع الضوء أمرًا صعبًا. على عكس الإلكترونات الموجودة في الترانزستورات، والتي يمكن أن تؤثر بشدة على تدفق بعضها البعض وبالتالي تسبب “التبديل”، فعادة لا تتفاعل الفوتونات بسهولة مع بعضها البعض.
شيئان جعل الاختراق ممكنًا: المواد التي استخدمها فريق ماراندي ، والطريقة التي استخدموها بها. أولاً، اختاروا مادة بلورية تُعرف باسم lithium niobate ، وهي مزيج من النيوبيوم والليثيوم والأكسجين الذي لا يحدث في الطبيعة ولكنه أثبت، على مدار الخمسين عامًا الماضية، أنه ضروري في مجال البصريات. المادة غير خطية بطبيعتها: نظرًا للطريقة الخاصة التي يتم بها ترتيب الذرات في البلورة، فإن الإشارات الضوئية التي تنتجها كمخرجات لا تتناسب مع إشارات الإدخال.
في حين تم استخدام بلورات الليثيوم نيوبات في البصريات لعقود من الزمان، فإن التقدم في تقنيات التصنيع النانوي قد مكّن ماراندي وفريقه مؤخرًا من إنشاء أجهزة فوتونية متكاملة تعتمد على الليثيوم niobate تسمح بحبس الضوء في مساحة صغيرة. كلما كانت المساحة أصغر، زادت شدة الضوء بنفس القدر من الطاقة. نتيجة لذلك، يمكن أن توفر نبضات الضوء التي تحمل المعلومات عبر مثل هذا النظام البصري استجابة غير خطية أقوى مما يمكن أن يكون ممكنًا.
كما حصر ماراندي وزملاؤه الضوء مؤقتًا. بشكل أساسي، قاموا بتقليل مدة نبضات الضوء، واستخدموا تصميمًا محددًا من شأنه أن يبقي النبضات قصيرة أثناء انتشارها عبر الجهاز، مما أدى إلى تمتع كل نبضة بقدرة ذروة أعلى.
يتمثل التأثير المشترك لهذين الأسلوبين – الحصر الزماني المكاني للضوء – في تعزيز قوة اللاخطية لطاقة نبضية معينة، مما يعني أن الفوتونات تؤثر الآن على بعضها البعض بقوة أكبر.
والنتيجة النهائية هي إنشاء فاصل غير خطي يتم فيه توجيه نبضات الضوء إلى ناتجين مختلفين بناءً على طاقتهما، مما يتيح حدوث التبديل في أقل من 50 فيمتوثانية (الفيمتوثانية هي جزء من المليون من الثانية). وبالمقارنة، فإن المفاتيح الإلكترونية الحديثة تأخذ عشرات البيكو ثانية (البيكو ثانية هي تريليون من الثانية)، وهو فرق في العديد من الرتب.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
