Svetlost može da prenosi ogromnu količinu podataka, ali njeno usmeravanje unutar uređaja često zavisi od elektronskih komandi. Ta konverzija između optičkog i električnog signala predstavlja usko grlo za buduće fotonske računare i komunikacione sisteme. Novi uređaj sa Kalteha koristi jedan svetlosni snop da promeni putanju drugog za svega 74 femtosekunde.
Femtosekunda je milioniti deo milijarditog dela sekunde. Za 74 femtosekunde svetlost približno pređe širinu ljudske vlasi. Reakcija uređaja zato se ne meri klasičnim elektronskim vremenom već gotovo samim trajanjem ultrakratkog laserskog impulsa.
U središtu čipa nalazi se metasurface, izuzetno tanak sloj silicijuma sa precizno oblikovanim nanostrukturama. Njihove dimenzije manje su od talasne dužine svetlosti, pa zajednički mogu da menjaju pravac, fazu i druge osobine snopa na način koji obična ravna površina ne može.
Postojeći modulatori često rade tako što električni signal podigne elektrone materijala na više energetsko stanje. Elektroni se zatim vraćaju u početno stanje i oslobađaju energiju. Čekanje na taj povratak ograničava brzinu, najčešće na nanosekunde ili pikosekunde.
Tim Kalifornijskog tehnološkog instituta izbegao je takav korak. Snažniji laserski snop, nazvan pumpni, projektuje određeni obrazac na metasurface i nakratko menja njen indeks prelamanja. Drugi, slabiji probni snop prolazi kroz površinu i skreće u smeru određenom tim obrascem.
Osnovu čini optički Kerov efekat. Intenzivna svetlost vrlo kratko menja raspored elektronskog oblaka unutar materijala i time način na koji on prelama drugi snop. Elektroni ne prelaze u dugotrajnije pobuđeno stanje, pa promena nestaje gotovo istovremeno sa pumpnim impulsom.
To omogućava preusmeravanje za 74 femtosekunde. Pošto nema čekanja na sporiji elektronski odgovor, teoretski je moguće veoma brzo menjati obrazac i slati svetlost u različitim pravcima.
Rezultati su objavljeni u časopisu „Nature Nanotechnology“. Prema Kaltehu, ovo je važan korak ka uređajima u kojima svetlost neposredno upravlja svetlošću, bez stalnog posredovanja električnog kola.
Primena bi mogla da obuhvati optičke prekidače u data-centrima. Umesto pretvaranja svakog paketa podataka u električni signal samo da bi se odredilo kuda treba da nastavi, fotonski sistem mogao bi da ga preusmeri dok ostaje u obliku svetlosti.
Druga mogućnost su fotonski računari. Matematičke operacije mogu se kodirati u intenzitet, fazu ili pravac laserskih zraka, a ultrabrzi modulatori određivali bi tok informacije. Takvi sistemi posebno su zanimljivi za zadatke veštačke inteligencije koji zahtevaju veliki broj paralelnih operacija.
Brzo upravljanje snopom važno je i za lidar, mikroskopiju, spektroskopiju i senzore. Uređaj koji bez mehaničkog pomeranja trenutno menja smer svetlosti mogao bi da skenira prostor ili uzorak znatno brže.
Laboratorijska demonstracija ipak nije gotov procesor. Snažan pumpni laser troši energiju, nanostrukture moraju precizno da se proizvode, a sistem treba povezati sa izvorima svetlosti i drugim komponentama na jednom čipu. Bitni su i zagrevanje, gubici signala i dugoročna pouzdanost.
Uprkos tome, postignuta brzina pokazuje šta postaje moguće kada se iz upravljačkog lanca uklone sporiji elektronski procesi. Svetlost više nije samo nosilac poruke koja čeka elektronsku raskrsnicu. U novom čipu ona istovremeno prenosi informaciju i menja putanju drugog snopa.
S.B.
