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将光压缩至微通道,使光学计算更近一步发展

发布:opticsphotonics阅读:1076时间:2017-12-3 12:37:32

图示为用于简并四波混频的硅平台上有机杂化间隙等离子体波导的纳米级聚焦和激光模式特性。插图展示了对于500 纳米的宽金属间隙和25纳米的窄金属间隙的缩放电磁模式分布以及MEH-PPV的化学式。援引:Nielsen等,2017/伦敦帝国理工学院

通过迫使光线通过一个前所未有小的间隙,研究人员为光基而不是电子的计算机的发展铺平了道路。

计算中需要使用光,因为光可以传输更高密度的信息,且比传统电子设备更快而且更高效。然而,光本身并不容易相互作用,因此虽然光可用来快速传递信息,但是并不容易进行信息处理。

例如,目前使用光来进行长距的信息传输,就像跨大西洋的光缆和光纤,可提供高速互联网。但是一旦信息到达你的计算机,电子设备就需要进行转换和处理。

为了在微芯片上使用光进行处理,需要解决几个主要的障碍。例如,可以使用特定的材料来使光相互作用,但只能在相对较长的距离上进行。然而,现在伦敦帝国理工学院的一个团队将光相互作用的距离减少10,000倍,在这个问题上向前迈进了一大步。

这意味着以前在厘米尺度实现的东西现在可以在微米(百万分之一米)的规模上实现,从而将光学处理带入当前为个人电脑供电的电子晶体管的范围。这项研究结果发表在今天(11月30日)的《Science》杂志。

帝国理工学院物理系的Michael Nielsen博士说:“这项研究构建了光学计算所需的框架。”

“因为光不易与自身相互作用,因此通过光传递的信息必须转换成电信号,然后再转换成光。我们的技术却可以实现完全的光处理。”

通常当两个光束互相交叉时,单个光子不会相互作用或相互改变,就像两个电子相遇时一样。特殊的非线性光学材料可以使光子发生相互作用,但效果通常非常弱。这意味着需要大量的材料来逐渐积累效果并使之有用。

然而通过将光压缩至25纳米(250亿分之一米)宽的通道,帝国理工研究团队增加了相互作用的强度。这使得光子在短距离内更加强烈地互相作用,改变了从一微米长的通道的另一端出现的光的性质。

采用光栅耦合器和30°锥度的W = 25纳米和L =2微米的结构。这些图片通过扫描电子显微镜拍摄。援引:Nielsen等,2017/伦敦帝国理工学院

在如此小尺度上控制光是构建使用光基而不是电子的计算机的一个重要步骤。电子计算正处于效率的极限;虽然有可能制造出更快的电子处理器,但是在围绕计算机移动内存数据的能源成本太高。

为了使计算机更强大,处理器变得更小,因此在同样空间放入更多处理器,而不增加处理速度。光处理几乎不产热,这意味着使用光可以使电脑更快、更高效。

该团队通过使用金属通道将光聚焦到先前研究用于太阳能电池板的聚合物中,从而达到了这一效果。金属在聚光方面比传统的透明材料更有效率,也被用来引导电信号。

因此,新技术不仅效率更高,而且可以与当前的电子设备进行集成。

帝国理工学院物理系的Ruepert Oulton博士说:“利用光来传递信息已经越来越接近家用计算机。它首先被用在跨大西洋光缆中,其容量是最为重要的,但是目前在英国越来越多地街道上安装了光纤宽带。随着我们对更多数据渴求的增加,光将需要进入家庭,最终进入我们的计算机。”

除了为光学计算提供重要的一步之外,该团队的成果也可能解决长期以来存在的非线性光学问题。由于具有不同颜色的相互作用的光束以不同的速度通过非线性光学材料,它们可能变得“不合拍”,所期望的结果可能会丢失。

在新设备中,由于光传播距离很短,所以没有时间变得不合拍。这消除了这个问题,并且使得非线性光学器件在光处理类型中更为通用。

补充:什么是非线性光学?

光子相互作用的过程称为非线性光学。使用它的技术非常普遍——一个简单的例子就是绿色激光笔。直接制造绿光激光比较困难,因此使用非线性光学晶体将红外光转换成绿光。

由电池驱动的半导体激光二极管产生的不可见红外光通过允许光子相互作用的晶体。在这里,两个红外(不可见)光子结合成一个具有两倍能量的单个光子,即绿光。

来源:https://phys.org/news/2017-11-tiny-channel-optical-closer.html

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