- Ερευνητές στο Caltech ανέπτυξαν υπερλεπτή επιφάνεια πυριτίου που ελέγχει το φως σε μόλις 74 femtoseconds.
- Η τεχνολογία βασίζεται σε νανοδομές πυριτίου που αναδιαμορφώνουν τα οπτικά κύματα σε κλάσματα του χιλιοστού.
- Ανοίγει ο δρόμος για εξαιρετικά γρήγορα οπτικά δίκτυα, αισθητήρες και προηγμένα συστήματα LiDAR.
Η φυσική πίσω από τα 74 femtoseconds
Ένα femtosecond ισούται με ένα τετράκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, χρονικό διάστημα κατά το οποίο το φως διανύει μόλις μερικές δεκάδες νανόμετρα. Επιστήμονες στο California Institute of Technology (Caltech) κατάφεραν να χειριστούν δέσμες φωτός σε αυτή την κλίμακα χρησιμοποιώντας μια νανοδομημένη επιφάνεια πυριτίου. Αντί για ογκώδη οπτικά εξαρτήματα όπως φακούς και πρίσματα, η νέα διάταξη χρησιμοποιεί νανοκεραίες που αλλάζουν τη φάση και την κατεύθυνση των φωτονίων εν πτήσει.
Η βασική πρόκληση στα παραδοσιακά οπτικά συστήματα είναι η αδράνεια των μηχανικών ή ηλεκτρο-οπτικών διατάξεων. Όταν αλλάζεις την πορεία μιας δέσμης λέιζερ με καθρέφτες, περιορίζεσαι από τη φυσική μετατόπιση της ύλης. Η προσέγγιση του Caltech παρακάμπτει αυτό το εμπόδιο αξιοποιώντας συντονισμούς φωτός-ύλης σε νανοκλίμακα. Το πυρίτιο αλληλεπιδρά άμεσα με το ηλεκτρικό πεδίο του παλμού φωτός, επιτρέποντας τον στιγμιαίο ανακατευθυντισμό του.
Επιπτώσεις σε δίκτυα και οπτικές ίνες
Στον κόσμο των τηλεπικοινωνιών και των data centers, η μετάβαση από τα ηλεκτρονικά στα οπτικά σήματα είναι μονόδρομος για τη μείωση της καθυστέρησης. Σύμφωνα με αναλύσεις του IEEE, τα σημερινά συστήματα δρομολόγησης φωτός χάνουν πολύτιμο χρόνο μετατρέποντας τα φωτόνια σε ηλεκτρόνια και πάλι πίσω. Η τεχνολογία ταχύτατης διεύθυνσης φωτός μηδενίζει αυτή την τριβή.
Αν η βιομηχανία καταφέρει να κλιμακώσει αυτή τη μέθοδο παραγωγικά, τα backbone δίκτυα και οι υποδομές οπτικών ινών FTTH θα αποκτήσουν ασύλληπτη χωρητικότητα. Η διαχείριση της κυκλοφορίας στα κέντρα δεδομένων θα γίνεται με νανοδευτερόλεπτα απόκρισης, εκτοξεύοντας την ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων σε επίπεδα που σήμερα φαντάζουν θεωρητικά.
Πρακτικές εφαρμογές σε LiDAR και AR
Τα συστήματα LiDAR που χρησιμοποιούνται στα αυτόνομα οχήματα και στα smartphones εξαρτώνται από μηχανικά περιστρεφόμενα μέρη ή αργούς ημιαγωγούς. Η επιφάνεια πυριτίου του Caltech επιτρέπει την electronic beam steering χωρίς κινούμενα μέρη, μειώνοντας δραστικά το μέγεθος και την κατανάλωση ενέργειας.
Επιπλέον, τα headsets επαυξημένης πραγματικότητας (AR) απαιτούν ελαφρείς, εξαιρετικά γρήγορους προβολείς για τη δημιουργία απτικών οπτικών εφέ στον αμφιβληστροειδή. Με πάχος κλασμάτων χιλιοστού, αυτή η τεχνολογία φωτονικής μπορεί να ενσωματωθεί απευθείας σε γυάλινες επιφάνειες χωρίς θερμικές απώλειες.
Η άποψή μας στο TechNoid
Εμείς στο TechNoid βλέπουμε συχνά θεωρητικές ανακαλύψεις που ποτέ δεν φτάνουν στην αγορά, αλλά η συγκεκριμένη δουλειά του Caltech έχει εμπορική υπόσταση επειδή βασίζεται σε καθαρό πυρίτιο. Η βιομηχανία ημιαγωγών γνωρίζει ήδη πώς να χαράζει πυρίτιο σε νανοκλίμακα χάρη στα fabs της TSMC και της Intel. Αν οι ερευνητές λύσουν το ζήτημα της μαζικής παραγωγής, θα δούμε τα πρώτα commercial optical switches εντός της επόμενης πενταετίας.
Συχνές Ερωτήσεις για την υπερταχεία διαχείριση φωτός πυριτίου
Τι είναι ακριβώς το φαινόμενο των 74 femtoseconds;
Είναι ο χρόνος που χρειάζεται μια νανοδομή πυριτίου για να ανακατευθύνει και να αναδιαμορφώσει έναν παλμό φωτός καθώς περνάει μέσα από την επιφάνειά της.
Γιατί χρησιμοποιείται το πυρίτιο σε αυτή την τεχνολογία;
Το πυρίτιο είναι συμβατό με τις υπάρχουσες γραμμές παραγωγής ημιαγωγών, γεγονός που καθιστά ευκολότερη τη μελλοντική μαζική κατασκευή των νανοοπτικών τσιπ.
Πού θα εφαρμοστεί πρώτα η τεχνολογία αυτή;
Οι πιθανότεροι πρώτοι τομείς εφαρμογής είναι τα κέντρα δεδομένων υψηλής απόδοσης και τα προηγμένα συστήματα LiDAR για οχήματα.
Πόσο αλλάζει τα σημερινά οπτικά δίκτυα;
Εξαλείφει την ανάγκη μετατροπής φωτός σε ηλεκτρισμό κατά τη δρομολόγηση, εκμηδενίζοντας τις καθυστερήσεις στα δίκτυα κορμού.
Ποιοι συμμετείχαν στην έρευνα;
Η αναφορά προέρχεται από ερευνητική ομάδα στο California Institute of Technology (Caltech).
Υπάρχουν εμπορικά προϊόντα στην αγορά σήμερα;
Όχι ακόμη, καθώς η τεχνολογία βρίσκεται σε ερευνητικό στάδιο και αναμένεται η βιομηχανική της κλιμάκωση.
Πώς συνδέεται με τα routers και το internet του σπιτιού;
Έμμεσα, επιταχύνοντας τα κεντρικά δίκτυα μεταφοράς δεδομένων από τα οποία τροφοδοτούνται οι πάροχοι internet.
