非線性納米光子學(xué)小組的 UT 教授 David Marpaung 和他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種高性能芯片，該芯片使用光波和聲波的組合來(lái)處理數(shù)字信息。這種下一代芯片可以補(bǔ)充基于電流的傳統(tǒng)芯片，使信息傳輸量更大、精度更高。

乍一看，Marpaung 和他團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)裝置與房間里的許多其他裝置相似：黑色窗簾將實(shí)驗(yàn)室桌子隔開，桌子上擺滿了細(xì)光纖、顯微鏡和看起來(lái)很復(fù)雜的設(shè)備。但是科學(xué)家們?cè)谶@里進(jìn)行了獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)，這可能會(huì)改變數(shù)字信息的處理方式。這一切都是源自于一個(gè)放在顯微鏡下的微型芯片，尺寸大約是 1.5里面 乘 1 厘米。附近的電腦屏幕全屏顯示著芯片。邊緣進(jìn)入表面的微小線條清晰可見，形成類似于賽道的圖案。

“原則上我們使用紅外激光來(lái)測(cè)試和進(jìn)一步開發(fā)這種芯片，但為了使光路可見，我們使用紅光，”Marpaung 解釋道。他打開光源，肉眼看不見的紅光沖過(guò)細(xì)細(xì)的光纖，傳遞到連接的芯片上。Marpaung 指著賽道亮起紅色的屏幕：“你看光是如何通過(guò)這些細(xì)線引導(dǎo)的，這些是特殊的光通道，是我們新芯片設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。”

信息高速公路

集成電路 (IC) 或芯片是現(xiàn)代生活的重要組成部分。它們的低價(jià)格允許大規(guī)模生產(chǎn)，并徹底改變了電子設(shè)備。芯片由許多電子電路組成，這些電路鑲嵌在一塊平坦的硅片上。它們充當(dāng)信息傳輸?shù)母咚俟?，?duì)于從計(jì)算機(jī)、手機(jī)、汽車和許多家用電器到航天器和衛(wèi)星的現(xiàn)代技術(shù)來(lái)說(shuō)是不可或缺的。隨著時(shí)間的推移，芯片變得越來(lái)越小，而它們的性能卻不斷提高，從而可以生產(chǎn)出更好更快的電子產(chǎn)品。

IC 技術(shù)的下一件大事是所謂的光子芯片。這些 IC 通過(guò)光而不是電傳輸信息，通過(guò)光通道或光波導(dǎo)，可以被視為“光的高速公路”。這種基于光的信息傳輸與傳統(tǒng) IC 相比具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，并且具有改進(jìn)當(dāng)前基于電的 IC 的巨大潛力。

“基于光的 IC 體積更小，可以打包和處理更多信息，同時(shí)消耗的能量比傳統(tǒng) IC 少得多，”Marpaung 說(shuō)?！斑@些優(yōu)勢(shì)對(duì)于大型數(shù)據(jù)中心尤為重要，數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗坪途薮蟮哪茉闯杀菊诔蔀槿找鎳?yán)重的問(wèn)題。” 另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它們可以順利集成到現(xiàn)有電子設(shè)備中，因?yàn)樗鼈兊幕具\(yùn)行方式與傳統(tǒng) IC 類似。

新的可能性

然而，改進(jìn)當(dāng)前的光子芯片是可能的。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聲波與光波結(jié)合時(shí)，它們的相互作用可能會(huì)導(dǎo)致比光子芯片更好的信息管理和傳輸?！爱?dāng)你在光子 IC 中引入聲波時(shí)，它本質(zhì)上是一種比光波傳播速度慢得多的機(jī)械波，就會(huì)出現(xiàn)一系列全新的信息管理可能性，”Marpaung 說(shuō)。'聲波的較慢速度導(dǎo)致處理信息的準(zhǔn)確性和分辨率高得多。它使您可以更輕松地濾除噪音、放大信號(hào)和選擇您想要保留的信息或數(shù)據(jù)。這可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)更清晰，噪音影響更小。

操縱光波

然而，在微型 IC 中產(chǎn)生聲波本身就是一個(gè)挑戰(zhàn)?？茖W(xué)家們?cè)O(shè)法通過(guò)使用兩束不同頻率的激光束來(lái)做到這一點(diǎn)。通過(guò)將激光束對(duì)準(zhǔn)光波導(dǎo)內(nèi)部，它們會(huì)相互影響：在某些點(diǎn)，激光束會(huì)相互削弱，而在其他點(diǎn)，它們會(huì)相互增強(qiáng)：這一過(guò)程稱為干涉。

“在激光相互增強(qiáng)的地方，它們會(huì)產(chǎn)生一種作用力，就像錘子一樣，”Marpaung 解釋道?！斑@種力量短暫地壓縮了光通道的材料并產(chǎn)生了某種‘砰’：聲波誕生了?！?聲波與光一起穿過(guò)光波導(dǎo)，壓縮周圍的光通道材料。這種壓縮也會(huì)影響和改變光的傳播速度。因此，通過(guò)調(diào)制聲音，科學(xué)家們還可以操縱穿過(guò)芯片的光波，從而處理基于光的信息傳輸。

巨大的挑戰(zhàn)

雖然理論成立，但在實(shí)踐中存在一些問(wèn)題。構(gòu)建包含光波導(dǎo)的芯片是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，它也可以很好地引導(dǎo)聲波。這是在光和聲音之間進(jìn)行適當(dāng)交互所必需的。例如，在現(xiàn)代硅光子芯片中，通道對(duì)光運(yùn)行良好，但對(duì)聲波則不然。其他芯片材料可能表現(xiàn)出相反的情況。因此，科學(xué)家們需要建立一個(gè)同時(shí)適用于光波和聲波的光通道。一個(gè)非常復(fù)雜的任務(wù)。他們通過(guò)稍微操縱標(biāo)準(zhǔn)光子芯片的設(shè)計(jì)解決了這個(gè)問(wèn)題。這些標(biāo)準(zhǔn) IC 中的光波導(dǎo)由兩種不同的材料組成，經(jīng)過(guò)優(yōu)化以引導(dǎo)光：氮化硅實(shí)芯，光在其中傳播緩慢，周圍環(huán)繞著玻璃罩，光在其中傳播很快。

Marpaung：“最后，光以較低的速度被引導(dǎo)通過(guò)并保留在核心內(nèi)，因?yàn)樗捎谌珒?nèi)反射而在材料界面之間反彈。如果只有一種材料，光就會(huì)四處散亂，沒(méi)有導(dǎo)向。然而，對(duì)于聲波來(lái)說(shuō)，情況恰恰相反：它們?cè)诘睾藘?nèi)部傳播得更快，導(dǎo)致大量聲波從地核外部逃逸。這阻止了光波和聲波之間的相互作用，因此在傳統(tǒng)的波導(dǎo)設(shè)計(jì)中光波和聲波不能有效地結(jié)合。

穩(wěn)定成熟的設(shè)計(jì)

Marpaung 教授和他的團(tuán)隊(duì)提出了一種出色的標(biāo)準(zhǔn)光波導(dǎo)替代設(shè)計(jì)，解決了這個(gè)問(wèn)題。他解釋說(shuō)：“我們制作了一種波導(dǎo)，在玻璃罩內(nèi)包含的不是一個(gè)而是兩個(gè)氮化硅芯?！?“當(dāng)光線穿過(guò)這兩個(gè)核心時(shí)，核心之間會(huì)有一些光泄漏到玻璃罩中。如果我們也在核心之間創(chuàng)建聲波，在引導(dǎo)它的玻璃內(nèi)部，我們將聲波和光波保持在一個(gè)體積中，讓聲音干擾光。

據(jù)這位科學(xué)家稱，該解決方案的優(yōu)點(diǎn)在于它基于穩(wěn)定成熟的設(shè)計(jì)光波導(dǎo)，可以輕松修改以適應(yīng)更多應(yīng)用?！斑@個(gè)新設(shè)計(jì)基本上是原理的證明，”Marpaung 說(shuō)。“在對(duì)我們的基本設(shè)計(jì)進(jìn)行修改和縮放之后，將會(huì)有很多應(yīng)用，因?yàn)槁暡梢砸愿叻直媛屎?a target="_blank">高精度過(guò)濾和選擇信息。例如，它可以用于太空和國(guó)防技術(shù)、下一代通信技術(shù)，還有不要忘記量子計(jì)算機(jī)。由于有前途的應(yīng)用，我們的團(tuán)隊(duì)通過(guò)一項(xiàng)非常有聲望的 ERC Consolidator 贈(zèng)款獲得了 250 萬(wàn)歐元的歐盟資金！

審核編輯 ：李倩