Forschung -

Mehr Farben auf einmal bringen mehr Chip-Bandbreite

Der Regenbogen besteht nicht nur aus Farbe - jede Lichtfarbe hat ihre eigene Frequenz. Je mehr Frequenzen man hat, desto höher ist zum Beispiel die Bandbreite für die Informationsübertragung.

Die Verwendung von jeweils nur einer Lichtfarbe auf einem Elektronikchip begrenzt derzeit jene Technologien, die Veränderungen einer Streufarbe erfassen, wie zum Beispiel die Erkennung von Viren in Blutproben oder die Verarbeitung von Luftaufnahmen der Vegetation.

Mehrere Farben gleichzeitig zu benutzen würde bedeuten, mehrere Informationskanäle simultan einsetzen zu können und die Bandbreite nicht nur der heutigen Elektronik, sondern auch der noch schnelleren "Nanophotonik" zu erweitern, die mit Photonen - schnelle und masselose Lichtpartikel - und nicht mit langsamen und schweren Elektronen funktionieren, um Informationen mit nano-optischen Bauelementen zu verarbeiten.

IBM und Intel haben bereits Supercomputer-Chips entwickelt, die die höhere Bandbreite des Lichts mit traditionellen elektronischen Strukturen kombinieren.

Da Forscher bereits Lösungen für das Ersetzen von Elektronik durch Photonik entwickeln, hat ein von der Purdue University geführtes Team den Herstellungsprozess vereinfacht, der die gleichzeitige Verwendung mehrerer Farben auf einem Elektronikchip anstelle einer einzelnen Farbe ermöglicht.

Ein weiteres Thema beim Übergang von der Elektronik zur Nanophotonik wurde ebenfalls angesprochen: Die Laser, die Licht erzeugen, müssen kleiner sein, um auf einen Chip zu passen.

"Ein Laser ist typischerweise ein monochromatisches Gerät. Damit ist es eine Herausforderung, einen Laser abstimmbar oder polychromatisch zu machen", sagte Professor Alexander Kildishev von der Purdue University. "Außerdem ist es eine enorme Herausforderung, ein Nanolaserarray mehrere Farben gleichzeitig auf einem Chip produzieren zu lassen."

Dies erfordert eine Verkleinerung des "optischen Hohlraums", der ein wesentlicher Bestandteil des Lasers ist. Erstmals haben Forscher von Purdue, der Stanford University und der University of Maryland sogenannte silberne "Metasurfaces" - künstliche Materialien, die dünner als Lichtwellen sind - in Nanohohlräumen eingebettet, wodurch die Laser ultradünn wurden.

"Optische Hohlräume fangen Laserlicht zwischen zwei Spiegeln ein. Wenn Photonen dann zwischen den Spiegeln hin und her springen, steigt die Lichtmenge, die dann einen Laserstrahl produziert", sagte Kildischew. "Unsere Nanohohlräume würden On-A-Chip Laser ultradünn und mehrfarbig machen."

Derzeit wird für jede Farbe eine andere Dicke eines optischen Hohlraums benötigt. Durch die Einbettung einer silbernen Metaoberfläche in den Nanohohlraum erreichten die Forscher eine gleichmäßige Dicke für die Produktion aller gewünschten Farben. Der Forschungsbericht erschien in 'Nature Communications'.

"Anstatt die Dicke des optischen Hohlraums für jede einzelne Farbe anzupassen, passen wir die Breite der Metaoberflächenelemente an", sagte Kildishev.

Optische Metaoberflächen könnten letztlich auch herkömmliche Linsen in elektronischen Geräten ersetzen oder zumindest ergänzen.

"Was die Dicke eines jeden Handys definiert, ist eigentlich ein komplexer und ziemlich dicker Stapel von Linsen", sagte Kildischew. "Wenn wir nur eine dünne optische Metaoberfläche benutzen könnten, um Licht zu fokussieren und Bilder zu erzeugen, dann bräuchten wir diese dickeren Linsen nicht, oder wir könnten einen dünneren Stapel verwenden."

Diese Technologie wurde zum Patent angemeldet. Die Arbeit wurde vom 'Air Force Office of Scientific Research' (AFOSR) und DARPAs 'Defense Sciences Office Extreme Optics and Imaging' (EXTREME) Programm unterstützt.

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