Transistor ottico da 10 GHz realizzato in silicio

Gli elettroni sono abbastanza bravi a elaborare le informazioni ma non così bravi a trasportarle su lunghe distanze. I fotoni, d'altra parte, fanno un ottimo lavoro nel trasportare i dati in tutto il pianeta, ma non sono così utili quando si tratta di elaborarli.

Di conseguenza, i transistor sono elettronici e i cavi di comunicazione sono ottici. E il mondo è gravato da una quantità significativa di infrastrutture affamate di energia per convertire le informazioni elettroniche nella varietà ottica e viceversa.

Quindi non sorprende che ci sia un interesse significativo nello sviluppo di un transistor ottico che potrebbe rendere obsoleta la varietà elettronica.

C'è un problema significativo, tuttavia. Mentre vari gruppi hanno costruito interruttori ottici, i transistor ottici devono anche avere una serie di altre proprietà in modo che possano essere collegati in modo da poter elaborare le informazioni.

Ad esempio, la loro uscita deve essere in grado di fungere da ingresso per un altro transistor, cosa non facile se l'uscita è a una frequenza diversa dall'ingresso, ad esempio. Inoltre, l'uscita deve essere in grado di pilotare l'ingresso per almeno altri due transistor in modo che i segnali logici possano propagarsi, una proprietà nota come fanout. Ciò richiede un guadagno significativo. Inoltre, ogni transistor deve preservare la qualità del segnale logico in modo che gli errori non si propaghino. E così via.

Il guaio è che nessuno è riuscito a realizzare transistor ottici che possano fare tutto e che possano essere fatti anche di silicio.

Oggi, Leo Varghese della Purdue University in Indiana e alcuni amici affermano di aver costruito un dispositivo che fa un passo significativo in questa direzione.

Il loro transistor ottico è costituito da un risonatore microring accanto a una linea ottica. In circostanze ordinarie la sorgente luminosa entra nella linea ottica, la percorre e quindi esce. Ma a una specifica frequenza di risonanza, la luce interagisce con il risonatore microring, riducendo notevolmente l'uscita. In questo stato, l'uscita è sostanzialmente spenta anche se l'alimentazione è attiva.

Il trucco che questi ragazzi hanno perfezionato consiste nell'utilizzare un'altra linea ottica, chiamata gate, per riscaldare il microanello, modificandone le dimensioni, la frequenza di risonanza e la capacità di interagire con l'uscita.

Ciò consente al gate di attivare e disattivare l'uscita.

C'è un ulteriore tocco intelligente. L'interazione del microring con il gate è più forte che con la linea di alimentazione-uscita. Questo è significativo perché significa che un piccolo segnale di gate può controllare un segnale di uscita molto più grande.

Varghese e colleghi affermano che il rapporto tra il segnale di gate e l'alimentazione è di quasi 6 dB. È sufficiente per alimentare almeno altri due transistor, che è esattamente la proprietà di fan out richiesta dai transistor ottici.

Questi ragazzi hanno persino costruito un dispositivo in silicio con una larghezza di banda in grado di supportare velocità di trasmissione dati fino a 10 GHz.

Questo è un risultato impressionante, in particolare la compatibilità con il silicio.

Tuttavia, ci sono ostacoli significativi da affrontare prima che un computer completamente ottico realizzato con questi dispositivi possa sperare di competere con i suoi cugini elettronici.

Il problema più grande è il consumo di energia. Gran parte del consumo di energia nei transistor elettronici deriva dalla necessità di caricare le linee che li collegano alla tensione di esercizio.

In teoria, i transistor ottici potrebbero essere ancora più efficienti: le loro linee non hanno bisogno di essere ricaricate. Ma in pratica, i laser bruciano energia come se fossero banconote da venti dollari. Per questo motivo, non è affatto chiaro che i transistor ottici possano eguagliare l'efficienza dei chip elettronici.

E con l'industria informatica ora responsabile di quasi il 2% delle emissioni globali di anidride carbonica, quasi quanto l'aviazione, il consumo di energia potrebbe rivelarsi il fattore dominante per la direzione futura dell'elaborazione delle informazioni.

Rif: arxiv.org/abs/1204.5515 : Un transistor ottico al silicio

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