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光二極管已經(jīng)可以集成在芯片上，家用型光子計算機也許已不再遙遠。自從德州儀器和仙童半導體在1958年分別發(fā)明集成電路以來(lái)，以硅為基礎的電子計算機已經(jīng)成了計算設備的標準。但是，人們依然對生物計算機、量子計算機和光子計算機等更快更強的計算機類(lèi)型寄予厚望，而就目前來(lái)看，它們當中最有希望的可能是光子計算機。 光子芯片會(huì )是光子計算機的主要信息處理器件，而能夠大規模集成化的光子器件則是光子芯片的基礎；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。在硅基電子計算機中，電子二極管是最常用的開(kāi)關(guān)器件之一，它可以根據電流的方向不同而輸出不同的電流，進(jìn)而表示1或者0。光二極管也應該類(lèi)似于電子二極管般具有單向傳輸的特性，使某個(gè)方向的入射光可以通過(guò)，而反向的光信號則會(huì )完全反射。但是因為光的反射性，實(shí)現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)自中國南京大學(xué)和美國加州理工大學(xué)的研究人員設計出了一種包含半導體鍺、金屬鉻的硅制波導，能夠實(shí)現光線(xiàn)的單向傳輸。相比而言，傳統的光學(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)的信號到達不了我這里�！� 這就是光二極管的作用，大多數時(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，但是對于芯片級的光路設備來(lái)說(shuō)，還沒(méi)有合適的解決方案�，F在，這項受到中國國家基礎研究973項目、國家自然科學(xué)基金，以及美國國防部高等計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世紀發(fā)現的法拉第效應而實(shí)現的。法拉第效應是指線(xiàn)偏振光會(huì )在磁場(chǎng)中旋轉偏振方向的現象—線(xiàn)性偏振光早在20世紀早期就已經(jīng)用于3D電影中，它們只會(huì )在某一個(gè)方向上振動(dòng)，就像是我們在抖動(dòng)一根繩子時(shí)所看到的那樣�；诜ɡ谛墓飧綦x器一般由兩個(gè)線(xiàn)偏振器中間加上一個(gè)法拉第旋轉器構成，當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 )旋轉過(guò)一個(gè)角度，這個(gè)角度和磁感應強度、器件材料厚度和材料特性有關(guān)�，F在常用的旋轉器往往是用釔鐵石榴石晶片加上與光線(xiàn)方向垂直的磁場(chǎng)制成，當光線(xiàn)通過(guò)這套隔離器時(shí)，沿著(zhù)透光軸方向的光線(xiàn)能完全通過(guò)，而與之垂直的偏振光則完全不能通過(guò)。 法拉第效應的特別之處在于，這種磁光旋轉方向是不可逆的—無(wú)論光的方向如何，迎著(zhù)外加磁場(chǎng)的磁感應強度方向觀(guān)察，偏振光總是順時(shí)針旋轉。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置成45度。當光經(jīng)過(guò)第一個(gè)偏振器后，偏振方向會(huì )旋轉45度，并通過(guò)第二個(gè)偏振器傳出；當反方向的光線(xiàn)傳入時(shí)，經(jīng)過(guò)旋轉器再旋轉45度，光線(xiàn)的偏振方向將和第一個(gè)偏振器的透光軸方向垂直，也就完全無(wú)法通過(guò)�，F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)相當成熟。 另一種方案是使用非線(xiàn)性材料，它能改變光的頻率，從而讓兩側射入的光線(xiàn)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�，F在我們談到的“芯片”，是指以硅為基本材料、以刻蝕、擴散、注入等工藝制造的大規模集成電路，其中器件的尺寸只能以納米為單位來(lái)計量。硅材料不具有磁光效應，而且非線(xiàn)性效應也不大，所以傳統的光隔離器技術(shù)無(wú)法小型化到現在電子計算機的芯片程度。 而現在這種新型光隔離器的設計則是以微觀(guān)世界的對稱(chēng)缺破為基礎的。在經(jīng)典物理學(xué)中，對稱(chēng)性規律占據著(zhù)核心地位，我們之所以信任鏡子中自己的形象，就是因為宏觀(guān)宇稱(chēng)對稱(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)現的“宇稱(chēng)對稱(chēng)性在弱相互作用中不守恒”現象打破了這一規律，人們開(kāi)始意識到，在微觀(guān)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)微結構國家重點(diǎn)實(shí)驗室，曾經(jīng)在聲子二極管研究的基礎上提出了波矢模式躍遷機制；而現在利用微結構設計實(shí)現時(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。這兩種對稱(chēng)性缺破證明了產(chǎn)生非對易現象的可能性，而研究人員利用蒸鍍技術(shù)，在硅波導中制作出正弦波形的鍺和鉻突起，則實(shí)現了完全單向的波矢躍遷和模式轉換。光線(xiàn)以對稱(chēng)模式從左邊入射時(shí)，會(huì )一直保持對稱(chēng)模式從右邊射出；而從右邊入射時(shí)則會(huì )發(fā)生模式轉換，產(chǎn)生非對稱(chēng)模式。因為不同模式的光無(wú)法相互作用，因此這兩束光就被隔離開(kāi)，不會(huì )造成光路錯誤。 現在，這個(gè)研究團隊已經(jīng)制造出了一種新的光學(xué)波導—一個(gè)800納米寬、能輸送光的長(cháng)硅條，并且計算出了不同寬度硅波導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、光調制器、光放大器、光學(xué)微腔、光晶體管等等，目前大多數器件都已經(jīng)實(shí)現了芯片化�，F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，家用計算機處理器中流動(dòng)的就將不再是緩慢的電子，而是光速行進(jìn)的光。 《第一財經(jīng)周刊》 |
