Forschung -

Technologie hilft, optische Datenverarbeitung zu beschleunigen

Wissenschaftler wissen seit langem, dass synthetische Materialien - Metamaterialien genannt - elektromagnetische Wellen, wie sichtbares Licht, manipulieren können, damit sie sich so verhalten, wie es in der Natur nicht möglich ist.

Das hat zu Durchbrüchen wie der superhochauflösenden Bildgebung geführt. Nunmehr sind Experten von UMass Lowell Teil eines Forschungsteams, das die Technologie der Lichtmanipulation in eine neue Richtung lenkt.

Das Team, dem Mitarbeiter von UMass Lowell, King's College London, der Paris Diderot University und der University of Hartford in Connecticut, USA, angehören, hat eine neue Klasse von Metamaterial entwickelt, das sich so justieren lässt, dass es die Farbe des Lichts verändert.

Diese Technologie könnte eines Tages die optische on-chip Kommunikation in Computerprozessoren ermöglichen, was unter anderem zu kleineren, schnelleren, billigeren und energieeffizienteren Computerchips mit größerer Bandbreite und besserer Datenspeicherung führt.

Die optische on-chip Kommunikation kann auch effizientere faseroptische Telekommunikationsnetze schaffen. Die Ergebnisse des Teams wurden in "Optica" der Optical Society veröffentlicht.

"Heutige Computerchips verwenden Elektronen zum Rechnen. Elektronen sind gut, weil sie winzig sind", sagte Professor Viktor Podolskiy vom 'Department of Physics and Applied Physics', der der Hauptforscher des Projekts bei UMass Lowell ist.

"Die Frequenz der Elektronen ist jedoch nicht schnell genug. Licht ist eine Kombination aus winzigen Teilchen, den sogenannten Photonen, die keine Masse haben. Infolgedessen könnten Photonen die Verarbeitungsgeschwindigkeit eines Chips erhöhen."

Durch die Umwandlung elektrischer Signale in Lichtimpulse wird die on-chip Opto-Kommunikation veraltete Kupferleitungen auf herkömmlichen Siliziumchips ersetzen, ergänzte Podolskiy. Dies ermöglicht die optische Chip-zu-Chip-Kommunikation und letztendlich die Core-zu-Core-Kommunikation auf dem gleichen Chip.

"Das Endergebnis wäre die Beseitigung des Kommunikationsengpasses, sodass paralleles Rechnen viel schneller ablaufen wird", sagte er.

Laut Podolskiy bestimmt die Photonenenergie die Farbe des Lichts. "Die überwiegende Mehrheit der Alltagsgegenstände, darunter Spiegel, Linsen und Glasfasern, können diese Photonen steuern oder absorbieren."

"Einige Materialien können jedoch mehrere Photonen miteinander kombinieren, was zu einem neuen Photon mit höherer Energie und unterschiedlicher Farbe führt", sagte er.

Podolskiy meint, dass die Interaktion von Photonen der Schlüssel zur Informationsverarbeitung und zum optischen Rechnen ist. "Leider ist dieser nichtlineare Prozess extrem ineffizient, und geeignete Materialien zur Förderung der Photoneninteraktion sind sehr selten", sagt er.

Podolskiy und das Forschungsteam haben nunmehr entdeckt, dass mehrere Materialien mit schlechten nichtlinearen Eigenschaften miteinander kombiniert werden können, was zu einem neuen Metamaterial führt, das die gewünschten und neuesten nichtlinearen Eigenschaften aufweist.

"Die Verbesserung kommt von der Art und Weise, wie das Metamaterial den Fluss der Photonen umgestaltet", erklärte er. "Die Arbeit eröffnet eine neue Richtung bei der Kontrolle der nichtlinearen Reaktion von Materialien und kann Anwendungen in optischen on-chip Schaltungen finden, die die Kommunikation auf dem Chip drastisch verbessern."

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