Neue Hoffnung für die optische Signalverarbeitung

Seit Jahrzehnten haben Forscher, die Elektronik entwickeln, enormen Erfolg damit, fast jede Anwendung, die mit Informationsverarbeitung zu tun hat, voranzutreiben: Nach dem Mooreschen Gesetz verdoppelt sich die Datendichte auf einem elektronischen Chip alle 18 Monate. Obwohl dieses exponentielle Wachstum wahrscheinlich noch eine Weile andauern wird, wird erwartet, dass inhärente physische Einschränkungen es nicht auf unbestimmte Zeit andauern werden. Einige dieser Einschränkungen sind bereits offensichtlich: Da die Elektronik in Computern gezwungen ist, mit immer höheren Frequenzen zu arbeiten, werden die Verlustleistung und die daraus resultierende Erwärmung der Hardware zu einem sehr ernsten Problem. In Knoten optischer Telekommunikationsnetze, in denen Daten mit besonders hohen Betriebsfrequenzen elektronisch verarbeitet werden müssen, ist das Problem noch bedeutender.

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Illustration von Eric Hanson

In der Erkenntnis, dass die elektronische Signalverarbeitung schließlich einer grundlegenden physikalischen Einschränkung unterliegen würde, untersuchten Ingenieure in den frühen 1980er Jahren die Möglichkeit, einen optischen Computer zu bauen, in dem Daten durch Licht (Photonen) statt durch geladene Träger (Elektronen) transportiert werden. Sie hatten es nicht leicht. Echte rein optische Signalverarbeitung erfordert eine Möglichkeit, das Licht mit dem Licht selbst zu beeinflussen. Das heißt, man muss Materialien mit optischen Eigenschaften verwenden, die durch das Vorhandensein eines Lichtsignals modifiziert werden können; dies kann verwendet werden, um ein anderes Lichtsignal zu beeinflussen, wodurch eine rein optische Signalverarbeitung durchgeführt wird. Leider neigen diese Effekte dazu, außerordentlich schwach zu sein, so dass die vorgeschlagenen optischen Logikelemente der 1980er Jahre zu groß waren; sie verbrauchten um Größenordnungen zu viel Strom, um machbar zu sein. Die Leute begannen, die optische Signalverarbeitung als unpraktisch zu betrachten.



Der neue Prototyp von Philanthropy

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom November 2006

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Jetzt jedoch, da die Grenzen der Elektronik viel näher rückt, wenden sich Ingenieure wieder der Optik zu. Tatsächlich wird der Datentransport zwischen verschiedenen Komponenten von Desktop-Computern (zwischen verschiedenen Teilen des Prozessors sowie zwischen Speicher und Prozessor) wahrscheinlich bald optisch erfolgen. Da der Bedarf an physikalischen Mechanismen wächst, die unsere Fähigkeit zur Manipulation von Licht verbessern, haben sich photonische Kristalle (die 1987 erfunden wurden) als vielversprechender Weg herausgestellt, um diesem entgegenzuwirken.

Photonische Kristalle sind künstlich hergestellte nanostrukturierte Metamaterialien, deren optische Eigenschaften periodisch auf der Skala der Lichtwellenlänge variieren. Photonische Kristalle werden manchmal als Halbleiter für Photonen bezeichnet und bieten beispiellose Möglichkeiten, den Lichtfluss zu formen. Sie wurden beispielsweise verwendet, um rein optische Schalter herzustellen, die kleiner als ein Mikrometer sind und eine Größenordnung schneller sind als Transistoren, die in der kommerziellen Elektronik verwendet werden. Darüber hinaus wurden photonische Kristalldesigns vorgeschlagen, die eine nichtlineare Wechselwirkung sogar zwischen einzelnen Photonen ermöglichen könnten. Diese Materialien könnten somit die Ansicht, dass optische Wechselwirkungen zu schwach sind, um sie für die Signalverarbeitung zu nutzen, dramatisch verändern.

Optische Technologien werden immer tiefer in elektronische Designs eindringen, und photonische Kristalle werden eine wichtige Rolle dabei spielen. Die Informationsverarbeitung wird daher in naher Zukunft wahrscheinlich durch hybride elektronische und optische Designs erfolgen, wobei der Optik eine immer wichtigere Rolle zukommt.

Marin Soljacic ist Assistenzprofessorin für Physik am MIT und Mitglied des diesjährigen TR35.

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