微米和纳米科技材料

新型超窄光通道让光学计算更加接近现实

新型超窄光通道让光学计算更加接近现实

基于硅衬底的有机混合间隙等离子体波导的纳米聚焦和光学模式特性可以产生简并的四波混频。图中两幅插图是电磁模式分布,分别为500纳米宽的金属间隙和狭窄的25 nm的金属间隙,右下角是MEH-PPV的化学公式。来源:帝国理工学院。

通过仍光线穿过比以往更小的缝隙,这项相关研究为基于光而不是电子的计算机铺平了道路。

光在计算中是有优势的,因为它可以携带更高密度的信息,这比传统的电子产品快得多,效率也更高。然而,光不容易与自身相互作用,因此它可以被用来快速移动信息,因此它不太擅长处理信息。

例如,目前光是用来传输远距离信息的,例如跨大西洋电缆和光纤,它们提供快速因特网。然而,一旦信息到达你的计算机,电子设备就需要转换和处理它。

为了在微芯片上使用光处理技术,需要克服一些重要的障碍。例如,光可以利用特定的材料进行交互,但只能在相对较长的距离内进行。然而现在,帝国理工学院的一个小组通过减少光的相互作用距离10000倍,这迈出了重要的一步。

这意味着什么,以前需要厘米达到现在可以实现的微米(一米的一百万分之一)的规模,将光学加工成电晶体管范围,这是目前的个人电脑所用的尺寸。这项研究结果发表在近期的《Science》杂志上。

来自帝国物理系的Michael Nielsen博士说:“这项研究突破光学计算所需的一个重要步骤。由于光不容易与自身相互作用,用光发送的信息必须转换成电子信号,然后再返回光。我们的技术允许纯粹用光来完成加工。”

通常,当两束光束相互交叉时,两个电子相遇时,各个光子之间不会相互作用或相互改变。特殊的非线性光学材料可以使光子相互作用,但效果通常很弱。这意味着材料的长跨度需要逐渐积累效果并使之有用。

然而,通过压缩光通道只有25纳米(25纳米)宽,研究人员增加其强度。这使得光子相互作用更强烈,在很短的距离,只有一微米的长通道,在另一端出现的光的性质就发生了改变。

新型超窄光通道让光学计算更加接近现实

采用光栅耦合器,一个30°锥度的狭缝W=25nm和L=2μm的装配式结构。扫描电镜观察图像

在这样一个小尺度上控制光是重要的一步,是用光代替电子的计算机的建造。电子计算是效率的极限,虽然可以制造更快的电子处理器,但更快地在计算机周围移动内存数据的能量成本太高了。

为了使计算机功能更强大,处理器的体积变小了,这样就可以在不增加处理速度的情况下,把更多的文件放进同一个空间。光学加工可以产生很少的热量,这意味着使用光可以使计算机更快更高效。

该小组通过使用一种金属通道将光聚焦在先前用于太阳能电池板的聚合物中,从而达到了这种效果。金属比传统的透明材料更能集中光线,也可用来传导电信号。

因此,新技术不仅效率更高,而且可以与当前的电子技术相结合。

帝国理工物理系的Rupert Oulton博士说:“光传递信息的使用已经是我们耳熟能详的了。它最早应用于跨大西洋电缆,这种传输应用中,容量是最重要的,现在光纤宽带正在安装在英国越来越多的街道上。随着我们对更多数据的渴望增加,光学将需要进入家庭,最终进入我们的计算机。”

除了向光学计算提供了重要的一步,该小组的成就也潜在地解决了非线性光学中长期存在的问题。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“错失”,所期望的效果可能会丢失。

在新设备中,由于光传播如此短的距离,它没有时长变得不协调。这消除了潜在的问题,使非线性光学器件在可实现的光学处理类型中更加通用。

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。使用它的技术相当普遍,一个简单的例子是绿色激光指示器。直接制作绿光激光器是很困难的,因此利用非线性光学晶体将红外光转换为绿色。

由电池供电的半导体激光二极管的隐形红外光通过一个允许光子相互作用的晶体。在这里,两个红外(隐形)光子连接成一个光子,其能量是绿光的两倍。

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

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