美科學(xué)家催生用更低能量就能驅(qū)動的光學(xué)芯片

美國華盛頓大學(xué)圣路易斯分校(Washington University in St. Louis)的研究人員，打造出一種可望成為微處理器關(guān)鍵元素的新技術(shù)，它是使用光而非電來進(jìn)行資料處理。該研究團(tuán)隊已經(jīng)開發(fā)了一套光學(xué)諧振器(resonator)系統(tǒng)，能增強光線針對某個方向的傳導(dǎo)，并將光線往其他方向的傳導(dǎo)削弱到幾乎看不見；此外該系統(tǒng)也微縮到能放進(jìn)一顆矽晶片內(nèi)的程度。

上述技術(shù)與電氣系統(tǒng)內(nèi)的簡易二極體原理相同，是使用量子力學(xué)的扭轉(zhuǎn)(twisting)概念，不只讓光線只沿著單一方向傳導(dǎo)，而且看來是裝置所輸出的能量高于輸入的能量。在一個甜甜圈形狀的元件中有兩個微諧振器來回反射光線，其中之一傾向損失能量，另一個則是提升能量；當(dāng)損失的能量相當(dāng)于特定波長的增益(gain)，系統(tǒng)就會產(chǎn)生相變化，諧振器作用也會逆轉(zhuǎn)。

根據(jù)華盛頓大學(xué)研究人員在新出版4月號《Nature Physics》期刊上發(fā)表的論文：「諧振器之間的時間性關(guān)系(temporal relationship)逆轉(zhuǎn)了，能量損失變成增加、增加變成損失。」這樣的結(jié)果能打造出比目前電氣線路更細(xì)微之光學(xué)通道，所需要的能量也更低，而且能采用目前的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體電路設(shè)計技術(shù)。

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在傳統(tǒng)光學(xué)二極體中，從某個方向輸入的光線會被傳導(dǎo)出去，而從另一個方向輸入的光線則會被攔截；華盛頓大學(xué)研究人員開發(fā)的新一代光學(xué)二極體，則是利用宇稱(parity time symmetric)性微諧振器所制作，當(dāng)某個諧振器的能量損失，能由另一個諧振器的能量增益來平衡

「我們相信這個發(fā)現(xiàn)將有益于電子學(xué)、聲學(xué)、電漿子光學(xué)(plasmonics)以及超材料(meta-materials)等領(lǐng)域；」負(fù)責(zé)監(jiān)督此研究的華盛頓大學(xué)實驗室總監(jiān)Lan Yang表示：「以宇稱性(parity time symmetry，PT symmetry)方式來耦合所謂的損、益元件，能催生像是隱形裝置、消耗更少電力的更強雷射，甚至是能“看”到單一顆原子的探測器等先進(jìn)技術(shù)?！?/p>

華盛頓大學(xué)的論文主要作者、Yang團(tuán)隊研究生Bo Peng表示：「目前我們以二氧化矽(silica)來打造新一代光學(xué)二極體，這種材料在電信通訊波長中的耗損很?。贿@種技術(shù)概念也可以擴(kuò)展至采用其他材料制作的諧振器，以實現(xiàn)更佳的CMOS制程相容性?！?/p>

用一個比喻來形容，這種元件的運作原理與英國圣保羅大教堂(St. Paul's Cathedral)的耳語廊(Whispering Gallery)有點類似──當(dāng)有人在走廊的某一端小聲講話，另外一端的人能清楚聽到，但站在發(fā)聲端附近的反而聽不見。

在理論上，這種元件是比較有問題的；它是利用物理學(xué)的宇稱概念，也就是一個封閉空間中的能量可能不等于內(nèi)部實際粒子內(nèi)能量的實際與潛在能量。(編按：更多關(guān)于宇稱概念的解釋請參考原文后半段的解釋，或請教維基百科與Google大神！)

該元件反射兩個微諧振器之間的光束，其中之一能量耗損、另一個增加，當(dāng)某個諧振器的增益等同于另外一個的耗損，系統(tǒng)的宇稱就會被打破；華盛頓大學(xué)的論文指出：「此時系統(tǒng)即使在非常弱的輸入電力之下，也會呈現(xiàn)強勁的非線性行為──輸入光線的增益強度會呈現(xiàn)非常陡峭的直線斜率，也就是光線只會由單一個方向傳導(dǎo)?！?/p>

此時一個明顯的結(jié)果是，發(fā)出自元件的光束強度比輸入該元件的能量更高；打造諧振器的研究人員Kaya Ozdemir 表示：「時間反演對稱(Time reversal symmetry)是一個基礎(chǔ)物理原則，指的是如果光線會沿著單一方向傳導(dǎo)出去，那一定也能從另一端傳導(dǎo)回來；但在新的光學(xué)二極體內(nèi)，這個原則就不成立了?！?/p>

Ozdemir指出，工程師傳統(tǒng)是以磁光學(xué)(magneto-optics)或是高磁場來打破時間反演對稱，但華盛頓大學(xué)團(tuán)隊是透過打破宇稱(宇稱不守恒)所產(chǎn)生的強勁非線性來達(dá)成；當(dāng)輸入功率只有1mW時，能讓單一方向的光線傳輸強度提高十七倍，但沒有從另一端過來的光線傳輸；而如果不使用宇稱概念搭配諧振器的結(jié)構(gòu)，不可能達(dá)到這樣的結(jié)果。