近日，坦佩雷大学(Tampere University)的一组光子学研究人员提出了一种新颖的全光交换方法，这种方法能够通过线性介质中独特的等离子体超表面，以超低功率控制另一束光。这种简单的线性切换方法背后的价值在于，它可以使得光学计算和通信系统等纳米光子器件更加可持续，且只需要较低的光强度。

图片来源：Tampere University

全光开关指的是控制光（control light）对信号光（signal light）的调制，具有开/关转换功能。一般而言，在非线性介质存在的情况下，一束光可以与另一束强激光进行调制。研究人员开发出来的上述开关方法，本质上是基于被称为折射率增强(EIR)的量子光学现象。

据悉，这是科学界首次通过实验证明了这种效应对光学系统及其在线性全光开关中的应用。与此同时，这项研究也给予了一个启发：在不使用任何增益介质或非线性过程的情况下，通过超常的折射率增强来实现在共振频率下工作的损耗补偿等离子体器件。

具有超快速度的光开关

高速开关以及信号在传播过程中的低损耗介质，是利用光子代替电子作为信息载体的集成光子技术发展的基础。而如果要实现片上超快全光开关网络和光子中央处理器，全光开关必须具有超快的开关时间、超低阈值控制功率、超高的开关效率和纳米尺度的特征尺寸。

“在0和1的信号值之间切换是所有数字电子设备的基础，包括计算机和通信系统。在过去的几十年里，这些电子元件逐渐变得更小、更快。例如，用我们的计算机在几秒钟内完成的普通计算，用房间大小的旧计算机甚至几天都无法完成。”Caglayan表示。

在传统电子学中，光开关通常依赖于通过连接或断开电压来控制一微秒(10^-6秒)或纳秒(10^-9秒)范围内的电子流。而通过用等离子体取代电子，这类开关的速度可以提升至超快的时间尺度，相关设备能够以飞秒(10^-15秒)的速度进行光切换。

博士后研究员、该研究的第一作者Rakesh Dhama介绍称，他们的等离子体纳米开关由l型金属纳米棒组合而成。其中一根纳米棒接收线性偏振信号，另一根接收垂直于第一束的另一根线性偏振“控制”光束。控制波束（control beam）可以根据波束之间的相位差对信号进行衰减或放大。

研究团队指出，这种简单的线性切换方法可以通过加速纳米尺度等离子体系统的发展和落地，取代现有的光学处理、计算或通信方法。

提高等离子体器件的性能

坦佩雷大学光子学副教授Humeyra Caglayan表示，他们希望利用改进后的开关方法进一步研究等离子体结构，并可能在未来将团队研发出来的方法用于等离子体电路。此外，可以对l形超表面进一步深入研究，以揭示飞秒激光脉冲照明下的超高速切换，并研究等离子体纳米颗粒的非线性增强和控制。

控制纳米结构的非线性响应，为纳米光子器件(如光学计算和通信系统)带来了更丰富的应用和更强大功能。通过为没有任何增益介质的信号波束创建宽带透明度，这种方法也有望提高等离子体器件的性能，为集成光子技术设计智能光子元件开辟多种途径。