Kan man förena fördelarna med optisk dataöverföring och elektronik?

Optisk dataöverföring är blixtsnabb och kan överföra stora datamängder i en tunn fiber.

Det är fördelarna. Nackdelen är att det är svårt att styra ettor och nollor i optisk form. Det går inte att säga åt fotoner att den ena ska gå åt vänster och den andra åt höger.

Elektronik är långsam jämfört med optiken – men foglig.

Det behövs bara en liten elektrisk laddning för att få den ena elektronen att gå åt vänster och den andra åt höger. Det är därför som elektronerna hittar rätt väg i den enorma labyrint som en processor är.

Varje gång som trafiken i en optisk fiber ska styras på ett intelligent sätt måste den först översättas till elektriska impulser. Det minskar hastigheten på ungefär samma sätt som när vi byter plan på en flygresa. Bytet kan ta längre tid än flygningen.

Rent optiska datorer skulle bli mycket snabba, men är inget realistiskt alternativ.

Plasmonik är ett framväxande forskningsfält som kan överbrygga skillnaden mellan elektronik och optonik. Det kallas ibland för ljus över tråd.

I plasmonik överförs information som vågor på ytan av en metalltråd.


Optisk slinga. Denna optiska komponent, en ringresonator, arbetar med plasmonik och har en radie på några få tusendels millimeter.

De kortlivade partiklar som kallas för plasmoner (se faktaruta) är egentligen inget exotiskt. Det är de som ger upphov till en skimrande effekt på vissa metalliska ytor.

Problemet är att sådana plasmoner – deras effekt kan observeras på glas som belagts med metall – inte kan överföra signaler särskilt långt. Normalt bara några tusendels millimeter.

Forskare har länge förstått att plasmoner har en fantastisk potential. De är nämligen snabba – i den bemärkelsen att de har hög frekvens – som fotoner, men de beter sig också som elektroner.

De har negativ elektrisk laddning. Det innebär att man kan ge dem en puff eller dra dem i önskad riktning. Fotoner, däremot, går bara rakt fram utan att bry sig om vad som händer runt omkring dem.

Alltså kan man få plasmoner att välja rätt väg i en elektronisk krets.

En slutsats av det är att den optiska datorn kan förverkligas – eller åtminstone något som är lika snabbt, och utan nackdelarna.

– I ungefär fem år har det varit tekniskt möjligt att bygga en optisk dataprocessor, men om den bara skulle ha optiska komponenter skulle den bli en halv meter gånger en halv meter och dra enorma mängder energi, säger Anatoly Zayats, forskare vid universitetet i Belfast i Nordirland, som citeras av ICT Results.

Anatoly Zayats arbetar i projektet Plasmon, som finansieras av EU.

– Med plasmonik kan vi göra kretsarna tillräckligt små för att passa i en vanlig persondator, samtidigt som vi håller optiska hastigheter.

Utmaningen har varit att få plasmonernas vågrörelse att följa en bana i stället för att spridas i alla riktningar. Det behövs en så kallad vågledare.

Idealet vore om man kunde använda vanliga koppartrådar, men så enkelt är det tyvärr inte.

Vågledarna som forskarna i Belfast har konstruerat består av ett mycket tunt lager guld på ett underlag av glas. Det täcks sedan av flera lager med plast. I denna sandwich kunde forskarna göra vågledare med en bredd på 500 nanometer – en halv tusendels millimeter.

Med den här tekniken har de bland annat konstruerat en optisk ringresonator. Det är en grundläggande komponent i optisk dataöverföring. Ljuset leds in i en ring där det går varv efter varv. Om ljusets våglängd passar jämnt ihop med ringens längd uppstår resonans – ljus av den våglängden förstärks. Andra frekvenser försvagas. Ringen fungerar alltså som ett filter.

Den plasmoniska ringresonatorn har en radie på fem tusendels millimeter, vilket ska jämföras med de minsta optiska ringresonatorerna på marknaden som är på 300 tusendels millimeter.

Andra optiska komponenter som forskarna har kunnat återskapa i plasmonisk form är Y-splitter och S-formade vägledare.

– Komponenterna fungerade nästan till hundra procent i enlighet med planerna och uppvisade mycket goda karakteristika, säger Anatoly Zayats.

– De måste göras mindre och mindre om vi vill få högre prestanda även i framtiden.

Praktiskt nog kan plasmoniska kretsar tillverkas med samma teknik som redan används för tillverkning av elektroniska kretsar.

– Det finns andra grupper med forskare som har åstadkommit liknande eller bättre dataöverföring, eller mindre komponenter, men då har de använt extremt komplexa processer som det skulle vara svårt att tillämpa industriellt, säger Anatoly Zayats.

– Vår teknik är kanske inte minst, men den har kortast väg till marknaden.

Anatoly Zayats tror att plasmonik finns i industriprodukter inom fem till tio år. Genombrottet kommer när plasmonik används för kommunikation mellan kretsarna i en dator, en flaskhals som datortillverkarna kämpar för att slippa.