Onderzoekers bouwen snelle optische transistor

Amerikaanse wetenschappers hebben een optische siliciumtransistor gebouwd die in staat is een optisch signaal met een ander optisch signaal te schakelen. Hun optische transistor kan gebruikt worden in optische datacommunicatie.

Een groep onderzoekers onder leiding van Leo Varghese van de Purdue-universiteit in de Amerikaanse staat Indiana bouwde een siliciumtransistor die met optische data werkt. Het apparaat kan overweg met signalen met frequenties tot 10GHz en gebruikt een zwak optisch signaal aan een gate om een sterker signaal aan of uit te schakelen. Volgens de onderzoekers is de versterking van het signaal met bijna 6dB voldoende om twee andere transistors aan te sturen, een voorwaarde om vertakkende schakelingen te bouwen met de optische transistors.

De transistor werkt dankzij een microring resonator in het silicium die naast een optische lijn ligt. Normaal interacteren de ring en de optische lijn niet en wordt een inputsignaal van een laser gewoon doorgelaten. Bij specifieke frequenties resoneert de microring echter met het lichtsignaal, waardoor deze vrijwel volledig wordt geabsorbeerd. De ring wordt door de gate met een lichtsignaal aangestuurd: dat licht verwarmt de microring, waardoor de afmetingen en daarmee de resonantiefrequentie, worden beïnvloed.

Zo kan met een klein stuursignaal de resonantiefrequentie, en daarmee het wel of niet doorlaten van het lichtsignaal, worden gereguleerd. Wanneer deze optische siliciumtransistor vervolmaakt zou kunnen worden, zou deze in optische communicatiesystemen gebruikt kunnen worden. De vertaalslag tussen elektronische transistors en optische signalen zou dan achterwege kunnen blijven, wat tot aanzienlijke snelheidswinst en energiewinst in optische communicatiesystemen zou moeten leiden.

Reacties (26)

[Legztec]

Conversie van elektrisch signaal naar optisch moet dan net zo snel zijn neem ik aan.
Hoe groot is zo'n schakeling?
Met warmte geschakeld dus hoe zit het met omgevings temperatuurverschillen?
Leuk onderzoek maar ik denk dat dit niet heel interesant is voor consumenten uiteindelijk...

[armageddon_2k1]

Leuk onderzoek maar ik denk dat dit niet heel interesant is voor consumenten uiteindelijk...

Dit vind ik altijd zo'n heerlijke kortzichtige opmerking die heel veel voorbij komt op Tweakers (en andere tech-sites) als er eens een interessant artikel staat over onderzoek.

Dit is fundamenteel onderzoek. De resultaten daarvan bieden inzicht in de basisonderdelen van toekomstige technieken. Denk je dat jouw huidige computer zonder fundamenteel onderzoek had bestaan?

Een leuk voorbeeld is de fractal-theorie. Ontzettend wiskundig theoretisch en wat blijkt.... alle antenne's momenteel die in kleine apparatuur moeten zijn gebaseerd op inzichten uit deze, schijnbaar puur theoretische, onderzoeken.

Waarom moeten resultaten uit een onderzoek binnen een paar jaar nuttig zijn voor consumenten? Degene die deze onderzoeken juist ziet als kansen en er next-gen technologie mee ontwikkelt zal de concurrentie juist een stap voor zijn.

[Sissors]

Je hebt gelijk dat dat een beetje kortzichtige opmerking is, maar verder heeft Legztec wel degelijk meerdere goede punten.


Als eerste, de transistor is gigantisch vergeleken met een elektrische transistor. Dat cirkeltje heeft een omtrek van waarschijnlijk zon 1.6um. Dat kan een elektrische transistor toch behoorlijk stuk kleiner.

Zijn volgende punt is echter nog een stuk belangrijker. Bij het bekijken van het paper zelf blijkt al snel dat het nog steeds last heeft van het probleem waar nagenoeg al die optische dingen last van hebben, maar dan nog een maatje extremer: extreem selectief werkingsgebied. Oftewel ze kunnen volgens mij ook dat beter eerst eens proberen op te lossen.

Ze verschuiven de resonantiefrequentie een heel klein beetje, en dan zeggen ze dat als je op de juiste frequentie meet hij een significante verandering in output power heeft. Ja dat klopt, als je signaal exact in die frequentie zit, en als je circuit exact die resonantie frequentie heeft. In het beste geval in hun paper is de golflengte waarin hij werkt 1600nm, +/- 25pm. Daaruit volgt automatisch als dat chipje een graden warmer wordt hij helemaal niks meer doet omdat de resonantiepiek teveel verschoven is.

Als laatste (wat ik zou ook even in desbetreffende forum zal melden), dit ding schakelt in tegenstelling tot wat het bericht meldt, NIET op 10GHz. Hij kan optische signalen met die snelheid doorlaten of blokkeren (oké dat is een groot woord, hij kan ze iets aanpassen). Maar de snelheid waarmee hij zich aan en uit kan schakelen is in het paper heel eufemistisch in arbitrary units gegeven. Oftewel: bijzonder traag.

[Durandal]

Ja

Als laatste (wat ik zou ook even in desbetreffende forum zal melden), dit ding schakelt in tegenstelling tot wat het bericht meldt, NIET op 10GHz. Hij kan optische signalen met die snelheid doorlaten of blokkeren (oké dat is een groot woord, hij kan ze iets aanpassen). Maar de snelheid waarmee hij zich aan en uit kan schakelen is in het paper heel eufemistisch in arbitrary units gegeven. Oftewel: bijzonder traag.

Ja ik vroeg me ook al af hoe ze dat ringetje op zeer hoge snelheid konden verwarmen en afkoelen. Je krijgt dan te maken met de warmtecapaciteit en -geleiding van silicium en dat laat het volgens mij gewoon niet toe.
Ik weet dan ook niet waar ze heen willen met deze oplossing.

[BadRespawn]

Leuk onderzoek maar ik denk dat dit niet heel interesant is voor consumenten uiteindelijk...

Want consumenten maken niet gebruik van optische communicatiesystemen zoals internet?

[Verwijderd]

en dan kunnen we Moore's law nog even vol blijven houden , iets langer
http://www.youtube.com/wa...er_embedded&v=bm6ScvNygUU

[Katanatje]

Heel kort:
Grootte: Rond de 10 um x 10 um. Niet met warmte geschakeld, maar met een signaal van een ander kanaal (met als gevolg dat het koud/warm kan zijn).

[Inny]

Consumenten zullen systemen die hier gebruik van maken wellicht niet zo snel in huis hebben, dat wil niet zeggen dat consumenten hier niet op andere wijze profijt uit gaat halen. Wanneer de snelheid (capaciteit) van "het netwerk" omhoog kan en het verbruik (kosten) omlaag, zal dit interessante nieuwe en/of goedkopere diensten opleveren voor de consument.

[Verwijderd]

Volgens de onderzoekers is de versterking van het signaal met bijna 6dB voldoende om twee andere transistors aan te sturen, een voorwaarde om vertakkende schakelingen te bouwen met de optische transistors.

Dit zijn optische transistors en het werkt dus met licht. Sinds wanneer is de eenheid dB een maat om de lichtsterkte te meten. Heeft iemand een uitleg. Ben druk aan het googlen (http://nl.wikipedia.org/w...eid)#Elektrische_spanning).

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 23 juli 2024 22:02]

[Aragnut]

Zoals de wikipedia pagina die je hebt gelinkt aangeeft (maar dan helemaal boven in) is " decibel, afgekort tot dB, is geen eenheid, maar een logaritmische schaal om verhoudingen aan te duiden". De reden dat het hier gebruikt wordt is "Vooral verhoudingen van vermogens worden uitgedrukt in dB". Door aan te geven dat de versterking 6 dB is, geeft (volgens het artikel) aan dat er met "winst" van sterkte op 1 poort, 2 poorten geschakeld kunnen worden. Dit is belangrijk, omdat je dan met 1 signaal steeds meer poorten kan aansturen, waardoor je schakeling met 1 ingang, meerdere uitgangen kan hebben, of tussen stadia (een beetje als een ketting reactie dus).

[Reactie gewijzigd door Aragnut op 23 juli 2024 22:02]

[Verwijderd]

Wordt de snelheid niet lager en het signaal minder 'mooi' als je zo'n door zo'n lawine effect wilt schakelen?

[Aragnut]

Dat zijn de standaard issues bij dergelijke schakelingen. Hoe meer poorten je achter elkaar hebt staan, hoe langer het duurt om de hele keten stabiel te krijgen. Daarom wordt er in moderne cpu's bijvoorbeeld gebruik gemaakt van multi cycle, waarbij dus een deel gebuffered wordt (hierdoor kon bijvoorbeeld de pentium 4 zulke hoge kloks aan, omdat de P4 architectuur veel steps per instructie had).

Voor de signaal "kwaliteit" denk ik dat bij deze transistoren gekeken wordt op een digitaal domein (dus 1 of 0) en niet op een analoog versterker domein (hoewel de verstrekingfactor wel invloed heeft op hoeveel transistoren 1 transistor kan aansturen, in dit geval dus 2 (die 6 dB komt daar weer om de hoek kijken). Omdat bij een traditionele field effect transistor (en ik gok bij deze optische transistor dat het ook geldt) er een bepaalde capaciteit in de gate zit, duurt het even voordat er geschakeld is tussen 0 en 1 (daarom ook de langere duur bij een langere keten voordat alles stabiel is).

zie bijvoorbeeld: http://www.pctechguide.co...gates-mosfets-and-voltage

[Aham brahmasmi]

dB is een standaardeenheid voor signaalsterkte; niet alleen bij geluidsdruk (dat is sowieso meestal dB(A).

[.phoz]

dBm...

[Auredium]

Misschien handig voor toekomstige optische processor technologie?

Ik zie ook in het artikel al staan dat ze hem (terecht) willen combineren met andere optische apparatuur. Het kan ervoor zorgen dat we in de toekomst helemaal optisch gaan. Dat zou natuurlijk wel een erg mooie ontwikkeling zijn.

* Auredium ziet het al voor zich als ie oud is. 'Vroeger deden we alles met electronische circuits, niet mer die optische schakelingen van nu!!'

[cHoc]

Reken maar dat deze techniek juist het eerst in optische communicatiesystemen gebruikt zal gaan worden, WDM systemen (http://en.wikipedia.org/w...gth-division_multiplexing) en OXC systemen (http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_cross-connect) hebben hier in eerste instantie het meest baat bij.
Deze ontwikkeling komt later wel in andere apparatuur.

[Reactie gewijzigd door cHoc op 23 juli 2024 22:02]

[Legztec]

Als ze dit nu echt werkend krijgen, volledig optisch en efficient qua licht gebruik hang je in de toekomst een lichtvanger buiten met een glasvezelkabel en is je computer sneller als je meer zon hebt

[mystic101]

Dat is hetzelfde als denken dat je computer sneller wordt door je CPU rechtstreeks aan het lichtnet te hangen

[Aham brahmasmi]

"Overclock" naar 50Hz!

[EvilItSelf]

En nog belangrijker. Werkt dit voor alle kleuren afzonderlijk? Want dan kan je namelijk meerdere processen over dezelfde cpu laten lopen. Je krijgt dat een single core die zich als 40 cores kan gedragen. Door dat het diverse golflengtes van licht kan werken.

[Verwijderd]

Maakt toch niet uit. Als je 40 signalen tegelijk kunt versturen moet je ook 40 transistors hebben. Die 10Ghz is de schakel snelheid van je transistor. Als je dus 40 signalen tegelijk kunt versturen werkt de processor op 250Mhz.

[robvanwijk]

Hij wil veertig lichtsignalen (met allemaal verschillende golflengtes, zodat ze onafhankelijk van elkaar zijn) over één optische transistor sturen.

Ik denk dat dat lastig gaat worden, want de resonantie-frequentie van die ring hangt af van de temperatuur en ik zie niet hoe één component tegelijkertijd veertig onafhankelijke temperaturen kan hebben. Los daarvan, het zou best wel eens ontzettend lastig kunnen zijn om twee (laat staan veertig) onafhankelijke frequenties te vinden waarmee het resonantie-trucje werkt...

[sjaakwortel]

wwarschijnlijk wel, maar dat aansturen gaat vrij lastig worden

[robinverl]

Klinkt als een erg vette techniek. Ben benieuwd op wat voor termijn ze dit in de praktijk kunnen toepassen, want het omhoog kunnen van de de doorvoersnelheden van glasvezel is natuurlijk ideaal in een wereld van enorme groei.

[robvanwijk]

Kan iemand met verstand van natuurkunde me iets uitleggen?

De grote voordelen van optische circuits zijn het niet heen-en-weer hoeven converteren tussen (lange-afstands) data-communicatie en (nu nog electrische) data-verwerking aan de ene kant en veel minder warmte-ontwikkeling aan de andere kant.

Het voordeel dat je nagenoeg geen warmteontwikkeling in de onderlinge verbindingen ("de draadjes") hebt blijft natuurlijk, maar hoe zit het nou met de transistoren zelf? Met andere woorden, als twee golven destructief interfereren, dan levert dat toch ook warmte-ontwikkeling op, of mis ik nou iets?

De warmte die benodigd is om de transistor te schakelen maak ik me van de ene kant minder zorgen om (hij koelt snel genoeg af om met een klok van 10 GHz op tijd af te koelen, dus dat kan nooit veel zijn) maar van de andere kant juist nog veel meer (als het zo'n klein temperatuurverschil is, worden deze processoren dan niet extreem gevoelig voor de omgevingstemperatuur??).

Edit:
Heb net de originele paper gelezen. Ik wou mijn reactie editen, maar zag dat fubry-killer hierboven al een reactie geplaatst heeft waarin ie (onder andere) zegt wat ik wou zeggen (maar dan duidelijker ) en nog wat extra puntjes aanstipt.

[Reactie gewijzigd door robvanwijk op 23 juli 2024 22:02]