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光二極管已經(jīng)可以集成在芯片上，家用型光子計(jì)算機(jī)也許已不再遙遠(yuǎn)。自從德州儀器和仙童半導(dǎo)體在1958年分別發(fā)明集成電路以來(lái)，以硅為基礎(chǔ)的電子計(jì)算機(jī)已經(jīng)成了計(jì)算設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。但是，人們依然對(duì)生物計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)和光子計(jì)算機(jī)等更快更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)類(lèi)型寄予厚望，而就目前來(lái)看，它們當(dāng)中最有希望的可能是光子計(jì)算機(jī)。 光子芯片會(huì)是光子計(jì)算機(jī)的主要信息處理器件，而能夠大規(guī)模集成化的光子器件則是光子芯片的基礎(chǔ)；在這些光子器件中，具有邏輯處理功能的光二極管又是最重要的。在硅基電子計(jì)算機(jī)中，電子二極管是最常用的開(kāi)關(guān)器件之一，它可以根據(jù)電流的方向不同而輸出不同的電流，進(jìn)而表示1或者0。光二極管也應(yīng)該類(lèi)似于電子二極管般具有單向傳輸?shù)奶匦�，使某個(gè)方向的入射光可以通過(guò)，而反向的光信號(hào)則會(huì)完全反射。但是因?yàn)楣獾姆瓷湫裕瑢?shí)現(xiàn)這種單向傳輸并不容易。 最近發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇文章改變了這種狀況。來(lái)自中國(guó)南京大學(xué)和美國(guó)加州理工大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)出了一種包含半導(dǎo)體鍺、金屬鉻的硅制波導(dǎo)，能夠?qū)崿F(xiàn)光線的單向傳輸。相比而言，傳統(tǒng)的光學(xué)器件就像是空氣一樣，“你看得見(jiàn)我，我也就看得見(jiàn)你�！边@篇論文的第一作者、現(xiàn)在在加州理工大學(xué)從事博士后研究的馮亮說(shuō)，“但是我要做的東西讓你能看見(jiàn)我，但是我看不見(jiàn)你。也就是你那邊發(fā)出來(lái)的信號(hào)到達(dá)不了我這里�！� 這就是光二極管的作用，大多數(shù)時(shí)候，這種器件被叫做“光隔離器”。這種器件實(shí)際上已經(jīng)有了超過(guò)100年的歷史，但是對(duì)于芯片級(jí)的光路設(shè)備來(lái)說(shuō)，還沒(méi)有合適的解決方案�，F(xiàn)在，這項(xiàng)受到中國(guó)國(guó)家基礎(chǔ)研究973項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金，以及美國(guó)國(guó)防部高等計(jì)劃研究署資助的研究，將會(huì)為光子芯片和光通訊領(lǐng)域帶來(lái)革命性的進(jìn)展。 目前我們使用的光隔離器，大部分是基于19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的法拉第效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)的。法拉第效應(yīng)是指線偏振光會(huì)在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)偏振方向的現(xiàn)象—線性偏振光早在20世紀(jì)早期就已經(jīng)用于3D電影中，它們只會(huì)在某一個(gè)方向上振動(dòng)，就像是我們?cè)诙秳?dòng)一根繩子時(shí)所看到的那樣。基于法拉第效應(yīng)的光隔離器一般由兩個(gè)線偏振器中間加上一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器構(gòu)成，當(dāng)在偏振光的傳播方向上添加外加磁場(chǎng)時(shí)，偏振光就會(huì)旋轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，這個(gè)角度和磁感應(yīng)強(qiáng)度、器件材料厚度和材料特性有關(guān)�，F(xiàn)在常用的旋轉(zhuǎn)器往往是用釔鐵石榴石晶片加上與光線方向垂直的磁場(chǎng)制成，當(dāng)光線通過(guò)這套隔離器時(shí)，沿著透光軸方向的光線能完全通過(guò)，而與之垂直的偏振光則完全不能通過(guò)。 法拉第效應(yīng)的特別之處在于，這種磁光旋轉(zhuǎn)方向是不可逆的—無(wú)論光的方向如何，迎著外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向觀察，偏振光總是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。所以在光隔離器中，兩個(gè)偏振器的透光軸之間的夾角被設(shè)置成45度。當(dāng)光經(jīng)過(guò)第一個(gè)偏振器后，偏振方向會(huì)旋轉(zhuǎn)45度，并通過(guò)第二個(gè)偏振器傳出；當(dāng)反方向的光線傳入時(shí)，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)器再旋轉(zhuǎn)45度，光線的偏振方向?qū)⒑偷谝粋�(gè)偏振器的透光軸方向垂直，也就完全無(wú)法通過(guò)。現(xiàn)在這種光隔離器已經(jīng)廣泛使用于光通訊，例如作為光纖放大器的部件等等，已經(jīng)相當(dāng)成熟。 另一種方案是使用非線性材料，它能改變光的頻率，從而讓兩側(cè)射入的光線不會(huì)混在一起。但是，這兩種方案都無(wú)法在芯片中實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在我們談到的“芯片”，是指以硅為基本材料、以刻蝕、擴(kuò)散、注入等工藝制造的大規(guī)模集成電路，其中器件的尺寸只能以納米為單位來(lái)計(jì)量。硅材料不具有磁光效應(yīng)，而且非線性效應(yīng)也不大，所以傳統(tǒng)的光隔離器技術(shù)無(wú)法小型化到現(xiàn)在電子計(jì)算機(jī)的芯片程度。 而現(xiàn)在這種新型光隔離器的設(shè)計(jì)則是以微觀世界的對(duì)稱(chēng)缺破為基礎(chǔ)的。在經(jīng)典物理學(xué)中，對(duì)稱(chēng)性規(guī)律占據(jù)著核心地位，我們之所以信任鏡子中自己的形象，就是因?yàn)楹暧^宇稱(chēng)對(duì)稱(chēng)的存在——鏡像總是能完全和我們保持一致。但是，1956年李政道和楊振寧發(fā)現(xiàn)的“宇稱(chēng)對(duì)稱(chēng)性在弱相互作用中不守恒”現(xiàn)象打破了這一規(guī)律，人們開(kāi)始意識(shí)到，在微觀世界，粒子并非和鏡子里的自己一模一樣。不僅如此，就連鏡像中的時(shí)間，也不一定以和真實(shí)世界中相同的速度流逝。 馮亮在碩士期間就讀的南京大學(xué)微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，曾經(jīng)在聲子二極管研究的基礎(chǔ)上提出了波矢模式躍遷機(jī)制；而現(xiàn)在利用微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)間反演和空間宇稱(chēng)破缺的光路，則是這種原理的一個(gè)延伸。這兩種對(duì)稱(chēng)性缺破證明了產(chǎn)生非對(duì)易現(xiàn)象的可能性，而研究人員利用蒸鍍技術(shù)，在硅波導(dǎo)中制作出正弦波形的鍺和鉻突起，則實(shí)現(xiàn)了完全單向的波矢躍遷和模式轉(zhuǎn)換。光線以對(duì)稱(chēng)模式從左邊入射時(shí)，會(huì)一直保持對(duì)稱(chēng)模式從右邊射出；而從右邊入射時(shí)則會(huì)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)模式。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)，不會(huì)造成光路錯(cuò)誤。 現(xiàn)在，這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制造出了一種新的光學(xué)波導(dǎo)—一個(gè)800納米寬、能輸送光的長(zhǎng)硅條，并且計(jì)算出了不同寬度硅波導(dǎo)所需的鍺和鉻突起的高度。想要把這種裝置變得適合光子芯片使用，并非什么難事。 光子芯片中會(huì)包含許多器件，例如光源、光調(diào)制器、光放大器、光學(xué)微腔、光晶體管等等，目前大多數(shù)器件都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了芯片化�，F(xiàn)在這種新型光隔離器又將光子芯片的開(kāi)發(fā)推進(jìn)了一大步。也許只需要10年時(shí)間，家用計(jì)算機(jī)處理器中流動(dòng)的就將不再是緩慢的電子，而是光速行進(jìn)的光。 《第一財(cái)經(jīng)周刊》 |
