Rekenen met licht weer stapje dichterbij

De afgelopen jaren is enorme vooruitgang geboekt in de ontwikkeling van fotonische chips, die hun rekentaken uitvoeren op basis van lichtbundels in plaats van elektronenstromen. Onderzoekers op het MIT hebben nu een cruciaal stuk van de puzzel ingevuld, waardoor het mogelijk wordt om fotonische chips te maken op standard silicium materiaal.

In veel moderne communictiesystemen verplaatsen de data zich in lichtbundels door optische vezels. Als het optische signaal bij zijn bestemming aankomt wordt het omgezet in elektronische vorm, verwerkt door elektronische schakelingen en met een laser weer teruggeconverteertd naar licht. De nieuwe component zou de twee conversiestappen overbodig maken en het lichtsignaal rechtstreeks bewerken.

Diode voor licht

Het gaat om een  "diode voor licht," zegt Caroline Ross, hoogleraal  Materials Science and Engineering bij MIT, en mede-auteur van een artikel in Nature Photonics over de nieuwe component.  Hij is vergelijkbaar met een elektronische diode, een componment waar een elektrische stroom in één richting wordt doorgelaten en in de andere geblokkeerd. In dit geval wordt eenrichtingsverkeer voor licht gecreëerd, in plaats van elektrische stroom.

Dit is essentieel, verklaart Ross, omdat zonder zo'n component strooireflecties de lasers zouden kunnen destabiliseren en de efficiëntie van de transmissie  verminderen. Momenteel wordt een discrete component, een isolator,  gebruikt om deze functie uit te voeren, maar met de nieuwe component zou dat onderdeel kunnen zijn van de chip die ook de andere signaalbewerkingstaken voor zijn rekening neemt.

Garnet 

Om de component te ontwikkelen moesten de onderzoekers op zoek naar een materiaal dat zowel transparent als magnetisch is - twee eigenschappen die zelden tegelijk voorkomen. Ze gebruiken nu een materiaal dat garnet heet en dat normaliter moeilijk is te combineren met silicium wafers. Het material is geschikt omdat het van nature licht in de ene richting anders doorlaat dan in de andere: de refractie-index is afhankelijk van de richting van de lichtbundel. De onderzoekers zijn er in geslaagd om met een dunne garnet-film een helft te bedekken van een lus die is aangesloten op het lichttransmissiekanaal op de chip. Het resultaat was dat licht dat in de ene richting de chip passeert gewoon wordt doorgelaten terwijl een bundel die de andere kant opgaat in de lus wordt omgeleid .

Standaard productie-apparatuur

Het hele system kan worden vervaardigd met standaard chipproductie-apparatuur, zegt Ross. "Dat vereenvoudigt het maken van een volledig optische chip. Het ontwerpen van een circuit gaat op dezelfde manier als waarop een IC-ontwerper een microprocessor samenstelt. Nu kan dat ook met een geïntegreerd optisch circuit."

"Dit is een grote vooruitgang voor optische communicatie", vindt Bethanie Stadler, hoogleraar ‘electrical and computer engineering' aan de University of Minnesota, die ook bij dit onderzoek was betrokken. Het werk is significant omdat voor het eerst garnet is gecombineerd met silicium."