En ny liten komponent som utvecklats vid Stanford School of Engineering överför data med ultrasnabb hastighet och förbrukar tusentals gånger mindre energi än dagens teknik. Komponenten, som baseras på nanofotonik, är ett stort steg framåt för ”on-chip” dataöverföring, menar forskarna.

Den här bäraren innehåller ett chip som,
i sin tur, innehåller hundratals integrerade LEDs.
Foto: Jan Petykiewicz / School of Engineering

En forskargrupp vid Stanford School of Engineering har visat upp ultrasnabba lysdioder (LEDs) som har många gånger lägre energiförbrukning än dagens laserbaserade system och kan överföra data i en takt på 10 miljarder bitar per sekund.

Forskarna säger att det är ett stort steg framåt för att få fram en praktisk, ultrasnabb och effektsnål ljuskälla för ”on-chip” dataöverföring.

Stanfords Jelena Vuckovic, docent i elektroteknik, och Gary Shambat, doktorand i elektroteknik, har publicerat sina forskningsresultat i tidskriften Nature Communications.

Vuckovic hade tidigare i år tagit fram en laser med hjälp av nanoteknik som var lika effektiv och snabb, men den enheten kunde endast användas vid temperaturer under 150 grader Kelvin, (under runt -120 °C), vilket gör den opraktisk för kommersiellt bruk. Den nya komponenten fungerar i rumstemperatur och kan därför utgöra ett viktigt steg mot nästa generationens datorchips.

– Lågeffekt, elektriskt styrda ljuskällor är avgörande för den nästa generationens optiska system för att möta de växande energikraven i datorbranschen. Detta för oss markant i den riktningen, säger Vuckovic.

En ”singelmod-LED” är en speciell typ av diod som mer eller mindre sänder ut ljus med en enda våglängd, ungefär som en laser.

– Traditionellt har ingenjörerna tänkt att bara lasrar kan kommunicera vid höga datahastigheter och ultralåg effekt. Vår nanofotoniska, singelmod-LED kan utföra samtliga arbetsuppgifter som en laser, men vid en mycket lägre effekt, säger Shambat.

Nanofotonik (nanophotonics) är nyckeln till tekniken. I kärnan av enheten har ingenjörerna placerat in små öar av det ljusavgivande materialet indiumarsenid som – när det pulsas med elektricitet – producerar ljus. Dessa "kvantprickar" är omgivna av fotoniska kristaller som i en matris av små hål etsats ut i en halvledare. Den fotoniska kristallen fungerar som en spegel som studsar ljuset mot mitten av enheten och tvingar den att vibrera på en enda frekvens.

– Utan de nanofotoniska ingredienserna – kvantprickar och fotoniska kristaller – är det omöjligt att tillverka en LED, effektiv för singelmod och som är snabb på samma gång, säger Vuckovic.

I den nya komponenten ingår även en annan bit av teknisk uppfinningsrikedom. De befintliga komponenterna består av två delar, en laser tillsammans med en modulator. Båda kräver elektricitet och enligt Vuckovic blir kombinationen av funktionerna att sända ut ljus och sköta modulation i enda komponent det som drastiskt minskar energiförbrukningen.

Den nya komponenten överför data med i genomsnitt på 0,25 femtojoule per bit data. Som jämförelse kräver dagens typiska lågeffektlasrar cirka 500 femtojoules för att sända ut samma bit.

– Vår enhet är cirka 2 000 gånger mer energieffektiv än de bästa utrustningarna som används i dag, säger Vuckovic.

Stanfordprofessorn James S. Harris, f.d. doktoranden Bryan Ellis, doktorander Arka Majumdar, Jan Petykiewicz och Tomas Sarmiento bidrog också till den här forskningen, enligt ett pressmeddelande.

Filed under: Utländsk Teknik