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美科学家催生用更低能量就能驱动的光学芯片

2014-04-21 10:17
九一隐士
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  美国华盛顿大学圣路易斯分校(Washington University in St. Louis)的研究人员,日前研制出一种可望成为微处理器关键元素的新技术,它是使用光而非电来进行数据处理。该研究团队已经开发了一套光学谐振器(resonator)系统,能增强光线针对某个方向的传导,并将光线往其它方向的传导削弱到几乎看不见;此外该系统也微缩到能放进一颗硅芯片内的程度。

  上述技术与电气系统内的简易二极管原理相同,是使用量子力学的扭转(twisting)概念,不只让光线只沿着单一方向传导,而且看来是装置所输出的能量高于输入的能量。在一个甜甜圈形状的组件中有两个微谐振器来回反射光线,其中之一倾向损失能量,另一个则是提升能量;当损失的能量相当于特定波长的增益(gain),系统就会产生相变化,谐振器作用也会逆转。

  根据华盛顿大学研究人员在新出版4月号《Nature Physics》期刊上发表的论文:“谐振器之间的时间性关系(temporal relationship)逆转了,能量损失变成增加、增加变成损失。”这样的结果能打造出比目前电气线路更细微的光学信道,所需要的能量也更低,而且能采用目前的标准半导体电路设计技术。

  在传统光学二极管中,从某个方向输入的光线会被传导出去,而从另一个方向输入的光线则会被拦截;华盛顿大学研究人员开发的新一代光学二极管,则是利用宇称(parity time symmetric)性微谐振器所制作,当某个谐振器的能量损失,能由另一个谐振器的能量增益来平衡

  “我们相信这个发现将有益于电子学、声学、等离子光学(plasmonics)以及超材料(meta-materials)等领域;”负责监督此研究的华盛顿大学实验室总监Lan Yang表示:“以宇称性(parity time symmetry,PT symmetry)方式来耦合所谓的损、益组件,能催生像是隐形装置、消耗更少电力的更强激光,甚至是能‘看’到单一颗原子的探测器等先进技术。”

  华盛顿大学的论文主要作者、Yang团队研究生Bo Peng表示:“目前我们以二氧化硅(silica)来打造新一代光学二极管,这种材料在电信通讯波长中的耗损很小;这种技术概念也可以扩展至采用其它材料制作的谐振器,以实现更佳的CMOS制程兼容性。”

  用一个比喻来形容,这种组件的运作原理与英国圣保罗大教堂(St. Paul's Cathedral)的耳语廊(Whispering Gallery)有点类似──当有人在走廊的某一端小声讲话,另外一端的人能清楚听到,但站在发声端附近的反而听不见。

  在理论上,这种组件是比较有问题的;它是利用物理学的宇称概念,也就是一个封闭空间中的能量可能不等于内部实际粒子内能量的实际与潜在能量。(编按:更多关于宇称概念的解释请参考原文后半段的解释,或请教维基百科与Google)

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