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Optischer 10-GHz-Transistor aus Silizium
Elektronen sind ziemlich gut in der Verarbeitung von Informationen, aber nicht so gut darin, sie über große Entfernungen zu transportieren. Photonen hingegen leisten großartige Arbeit, um Daten um den Planeten zu transportieren, sind aber nicht so praktisch, wenn es darum geht, sie zu verarbeiten.
Als Ergebnis sind Transistoren elektronisch und Kommunikationskabel optisch. Und die Welt ist mit einer beträchtlichen Menge an energiehungriger Infrastruktur belastet, um elektronische Informationen in die optische Vielfalt umzuwandeln und umgekehrt.
Es überrascht daher nicht, dass großes Interesse an der Entwicklung eines optischen Transistors besteht, der die elektronische Vielfalt überflüssig machen könnte.
Es gibt jedoch ein erhebliches Problem. Während verschiedene Gruppen optische Schalter gebaut haben, müssen optische Transistoren noch eine Reihe weiterer Eigenschaften aufweisen, damit sie informationsverarbeitend verschaltet werden können.
Zum Beispiel muss ihr Ausgang in der Lage sein, als Eingang für einen anderen Transistor zu fungieren – nicht einfach, wenn der Ausgang beispielsweise eine andere Frequenz als der Eingang hat. Außerdem muss der Ausgang in der Lage sein, den Eingang für mindestens zwei weitere Transistoren anzusteuern, damit sich logische Signale ausbreiten können, eine Eigenschaft, die als Fanout bezeichnet wird. Dies erfordert einen erheblichen Gewinn. Darüber hinaus muss jeder Transistor die Qualität des Logiksignals erhalten, damit sich keine Fehler ausbreiten. Und so weiter.
Das Problem ist, dass es noch niemandem gelungen ist, optische Transistoren herzustellen, die alles können und auch aus Silizium hergestellt werden können.
Heute sagen Leo Varghese von der Purdue University in Indiana und ein paar Freunde, dass sie ein Gerät gebaut haben, das einen bedeutenden Schritt in diese Richtung macht.
Ihr optischer Transistor besteht aus einem Mikroring-Resonator neben einer optischen Leitung. Unter normalen Umständen tritt die Lichtzufuhr in die optische Leitung ein, läuft entlang dieser und wird dann ausgegeben. Aber bei einer bestimmten Resonanzfrequenz interagiert das Licht mit dem Mikroring-Resonator, wodurch die Leistung stark reduziert wird. In diesem Zustand ist der Ausgang im Wesentlichen ausgeschaltet, obwohl die Versorgung eingeschaltet ist.
Der Trick, den diese Jungs perfektioniert haben, besteht darin, eine andere optische Leitung, das sogenannte Gate, zu verwenden, um den Mikroring zu erhitzen, wodurch seine Größe, seine Resonanzfrequenz und seine Fähigkeit, mit dem Ausgang zu interagieren, verändert werden.
Dadurch kann das Gate den Ausgang ein- und ausschalten.
Es gibt eine zusätzliche clevere Wendung. Die Wechselwirkung des Mikrorings mit dem Gate ist stärker als mit der Versorgungs-Ausgangsleitung. Das ist wichtig, weil es bedeutet, dass ein kleines Gate-Signal ein viel größeres Ausgangssignal steuern kann.
Varghese und Co sagen, dass das Verhältnis von Gate-Signal zu Versorgung fast 6 dB beträgt. Das reicht aus, um mindestens zwei weitere Transistoren mit Strom zu versorgen, was genau die Fan-Out-Eigenschaft ist, die optische Transistoren benötigen.
Diese Jungs haben sogar ein Gerät aus Silizium mit einer Bandbreite gebaut, die Datenraten von bis zu 10 GHz ermöglicht.
Das ist ein beeindruckendes Ergebnis, insbesondere die Silikonverträglichkeit.
Nichtsdestotrotz stehen noch erhebliche Hürden bevor, bevor ein rein optischer Computer, der mit diesen Geräten hergestellt wurde, hoffen kann, gegen seine elektronischen Vettern anzutreten.
Das größte Problem ist der Stromverbrauch. Ein Großteil des Stromverbrauchs in elektronischen Transistoren entsteht dadurch, dass die Leitungen, die sie verbinden, auf die Betriebsspannung geladen werden müssen.
Theoretisch könnten optische Transistoren noch effizienter sein – ihre Leitungen müssen überhaupt nicht aufgeladen werden. Aber in der Praxis verbrennen Laser Energie, als ob es zwanzig Dollar-Scheine wären. Aus diesem Grund ist es überhaupt nicht klar, ob optische Transistoren die Effizienz elektronischer Chips erreichen können.
Und da die Computerindustrie mittlerweile für fast 2 Prozent der weltweiten Kohlendioxidemissionen verantwortlich ist, fast so viel wie die Luftfahrt, könnte sich der Stromverbrauch als der übergreifende Faktor für die zukünftige Ausrichtung der Informationsverarbeitung erweisen.
Ref: arxiv.org/abs/1204.5515 : Ein optischer Siliziumtransistor