Piepkleine laser kan energieverbruik computers flink verlagen

Computerchips wisselen data nu vooral uit via elektrische signalen. Dat kost energie en produceert warmte, wat de snelheid van chips beperkt. Onderzoekers van de Technische Universiteit van Denemarken (DTU) presenteren in het tijdschrift Science Advances een nieuwe nanolaser die deze elektrische signalen kan vervangen door lichtdeeltjes, ofwel fotonen. Volgens hoogleraar Jesper Mørk, een van de auteurs van de studie, kan deze aanpak het energieverbruik van computers ongeveer halveren.

Licht in plaats van stroom

Het grootste deel van het wereldwijde dataverkeer reist al via glasvezelkabels met licht. Binnenin computers en chips gebeurt de communicatie echter nog altijd elektrisch. Die elektrische route beperkt hoe snel gegevens kunnen worden verplaatst en hoeveel warmte daarbij vrijkomt. Als chips voortaan met fotonisch netwerk-achtige verbindingen zouden werken, verwachten de onderzoekers minder energieverlies en dus koelere, snellere apparaten. De techniek bouwt voort op siliciumfotonica, het vakgebied dat licht en chips combineert.

Extreem klein en toch krachtig

De nieuwe laser is gebouwd in het cleanroomlab DTU Nanolab en doorbreekt volgens de onderzoekers de gangbare ondergrens voor de afmeting van lasers. De kern bestaat uit een zogeheten nanocaviteit: een piepklein, met dielektrisch materiaal omgeven holletje dat licht extreem sterk kan opsluiten. Wanneer er licht op het apparaat schijnt, concentreren zowel fotonen als elektronen zich in datzelfde microscopische gebied. Daardoor kan de laser bij kamertemperatuur werken en heeft hij ongewoon weinig energie nodig om te functioneren. Het lichtopsluitende ontwerp is oorspronkelijk ontwikkeld door de groep van professor Ole Sigmund van DTU Construct. Volgens de onderzoekers zouden duizenden van deze nanolasers straks op één enkele chip moeten passen.

Toepassingen in datacenters en zorg

De volgende grote uitdaging is de laser elektrisch aan te sturen in plaats van met een lichtbundel, zoals nu in het lab gebeurt. Lukt dat, dan zien de onderzoekers toepassingen in computers, smartphones en vooral datacenters, die enorme hoeveelheden stroom verbruiken. Een fors lager energieverbruik daar zou ook een positief effect kunnen hebben op de uitstoot die gepaard gaat met de groei van clouddiensten en AI-toepassingen. Daarnaast noemt Mørk medische sensoren als mogelijke toepassing: de extreme lichtconcentratie van de nanolaser zou kunnen bijdragen aan gevoeligere biosensoren en scherpere beeldvormingstechnieken in de zorg. De onderzoekers schatten dat de resterende technische hindernissen binnen vijf tot tien jaar opgelost kunnen worden.