Met de exponentiële groei van dataverkeer in digitale netwerken lopen traditionele elektronische chips tegen hun fysieke grenzen aan. Fotonica, waarbij data niet via elektronen maar via lichtdeeltjes wordt getransporteerd, geldt als een belangrijke gegadigde om deze knelpunten op te lossen. Twee nieuwe wetenschappelijke doorbraken tonen aan hoe optische chips niet alleen sneller, maar ook veelzijdiger en stabieler kunnen worden gemaakt. Onderzoekers in Zuid-Korea en het Verenigd Koninkrijk presenteerden recent innovatieve chiparchitecturen die respectievelijk de timing van lichtpulsen kunnen herprogrammeren en millimetergolven gegenereeren voor onder meer toekomstige 6G-netwerken.
- Zuid-Koreaanse onderzoekers ontwierpen een herprogrammeerbare optische chip die lichtpulsen dynamisch kan vertragen en filteren.
- Britse fysici van Loughborough University ontwikkelden een ‘regenboog-op-een-chip’ ter grootte van een rijstkorrel voor millimetergolven.
- De technologieën pakken kernproblemen aan rond datavertraging, stroomverbruik en de uitrol van 6G-communicatie.
Het probleem met timing in optische computers
Traditionele processors verplaatsen informatie via elektronen door metalen verbindingen. Naarmate gegevensstromen groter worden, veroorzaakt dit veel weerstandswarmte en capaciteitsbeperkingen. Licht kan enorme hoeveelheden data verplaatsen zonder deze hitte op te bouwen, maar stelt ontwikkelaars voor een ander probleem: rekenprocessen vereisen namelijk niet alleen snelheid, maar vooral ook precieze timing. Signalen moeten exact op het juiste moment aankomen om samen te werken.
Om licht gecontroleerd te vertragen, wordt vaak gebruikgemaakt van microscopische structuren die lichtfrequenties laten rondcirculeren, een principe dat bekendstaat als coupled-resonator-induced transparency (CRIT). Tot nu toe waren de eigenschappen van zulke chips na fabricage onveranderlijk. Onderzoekers van Seoul National University en de University of Seoul hebben nu een herprogrammeerbaar systeem ontworpen. Door instelbare koppelcomponenten toe te voegen aan het netwerk, kan dezelfde fysieke chip dynamisch worden aangepast om signaalvertragingen, bandbreedtes en frequenties te wijzigen.
In plaats van voor elke specifieke vertraging of frequentie een nieuwe chip te produceren, kan één herprogrammeerbaar netwerk meerdere taken tegelijk uitvoeren.
Een stabiele regenboog op chipformaat voor 6G
Parallel aan de Zuid-Koreaanse simulaties richtten onderzoekers van Loughborough University in het Verenigd Koninkrijk zich op de praktische generatie van millimetergolven. Deze golven bieden de hoge bandbreedte die noodzakelijk is voor de uitrol van toekomstige 6G-netwerken, maar zijn complex om stabiel en nauwkeurig te produceren.
Het Britse team, onder leiding van dr. Luke Peters, ontwikkelde een zogenaamde ‘microcomb’ op een microchip ter grootte van een rijstkorrel. Deze chip creëert een spectrum van lichtfrequenties — een onzichtbare ‘regenboog’ — die via een antenne wordt omgezet in meerdere millimetergolf-signalen tegelijk. Door de microchip te combineren met een grotere lus van glasvezel, blijft het licht continu circuleren. Dit maakt het systeem uitzonderlijk stabiel tegen trillingen en verstoringen van buitenaf.
Het instellen van individuele frequenties binnen deze licht-regenboog maakt het mogelijk om uiterst precieze signalen op te bouwen voor zowel telecom als kwantumtechnologie.
Van laboratorium naar toepassingen in de praktijk
Beide ontwikkelingen bevinden zich in verschillende fases van de prototypeketen. Het Zuid-Koreaanse ontwerp is via driedimensionale elektromagnetische simulaties gemodelleerd op een fotonisch platform van siliconnitride. Hierbij bleek de chip functioneel te blijven ondanks fabricagefouten en warmtelekken. Het Britse onderzoek, gepubliceerd in Nature Communications, is reeds getest in een laboratoriumopstelling. Het team onderzoekt nu samen met het National Physical Laboratory hoe het systeem kan worden verkleind tot het formaat van een schoenendoos, met name voor toepassingen in satellieten en precisietiming.
Zie jij fotonica binnenkort de traditionele elektronische chips in onze apparaten vervangen? Deel je gedachten hieronder.
