美研制硅波導(dǎo)可隔離光信號(hào) 利于研發(fā)光子芯片

美國(guó)科學(xué)家在8月5日出版的《科學(xué)》雜志上撰文指出，他們研制出了一塊新的硅基光學(xué)波導(dǎo)，能將硅芯片上的光信號(hào)隔離開(kāi)，解決了建造光子芯片長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，為下一代光子芯片的研制鋪平了道路。

與電子芯片相比，光子芯片擁有超高速的運(yùn)算速度、超大規(guī)模的信息存儲(chǔ)容量、能量消耗小、散發(fā)熱量低等優(yōu)點(diǎn)，因此，用光子代替電子實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接是不可阻擋的歷史潮流，不過(guò)，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)技術(shù)主要還是依靠電子芯片。該研究的主要作者、加州理工學(xué)院電子工程系的博士后馮亮（音譯）表示：“我們希望電子芯片能完成的任務(wù)，光子芯片也能完成。”

如果不將光隔離，光子電路上不同元件發(fā)送和接收的信號(hào)就能相互作用，使光子芯片變得不穩(wěn)定。而電子電路中的二極管能通過(guò)限制電流朝一個(gè)方向行進(jìn)從而將電信號(hào)隔離開(kāi)。因此，研制光子芯片的主要“攔路虎”是制造出“光子二極管”——光隔離器?？茖W(xué)家一直在為此目標(biāo)而努力。

以前，有兩種方法來(lái)制造光隔離器。第一種方法出現(xiàn)在100多年前，主要使用磁場(chǎng)。當(dāng)光在相反方向行進(jìn)時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)改變光的偏振，因此，在一個(gè)方向行進(jìn)的光無(wú)法同在另一個(gè)方向行進(jìn)的光相互作用。馮亮說(shuō)：“可是，我們不能在計(jì)算機(jī)周圍放置大磁場(chǎng)，這有損健康。”

第二種方法出現(xiàn)在50多年前，主要使用能改變光的頻率而不是光的偏振的非線性光子材料。但這種方法也有問(wèn)題，因?yàn)榧呻娐返幕窘M成材料硅是一種線性材料，如果計(jì)算機(jī)打算使用由非線性材料制成的光隔離器，硅就可能會(huì)“下崗”，那么，所有計(jì)算機(jī)技術(shù)可能都需要修改。

馮亮團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種新的光學(xué)波導(dǎo)——一個(gè)0.8微米寬、能輸送光的硅設(shè)備，其使光能在一個(gè)方向采用對(duì)稱模式行進(jìn)，而在另一個(gè)方向上采用非對(duì)稱模式行進(jìn)，因?yàn)椴煌Ｊ降墓鉄o(wú)法相互作用，因此，這兩束光就被隔離開(kāi)，能穿過(guò)彼此。

在最新研究中，科學(xué)家們首次用新的硅波導(dǎo)這種線性材料將光隔離出來(lái)。盡管該研究還只是一個(gè)概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，但科學(xué)家們建造出了一個(gè)能被集成到一塊硅芯片上的光隔離器，光隔離器對(duì)建造出納米大小的光子設(shè)備至關(guān)重要。

現(xiàn)在，最先進(jìn)的光子芯片的數(shù)據(jù)傳輸率為10Gb/秒，是個(gè)人電腦的幾千倍，下一代光子芯片有望達(dá)到40Gb/秒。但因?yàn)檫@些光子芯片沒(méi)有內(nèi)置光隔離器，其比電子芯片更簡(jiǎn)單，而且也無(wú)法投入實(shí)際應(yīng)用，因此，基于最新研究的光隔離器有望加速光子芯片的商業(yè)化進(jìn)程。