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、顯微鏡和看起來很復(fù)雜的設(shè)備。但是科學(xué)家們在這里進(jìn)行了獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)，這可能會改變數(shù)字信息的處理方式。這一切都是源自于一個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測試和進(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?，對于從?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)來說是不可或缺的。隨著時間的推移，芯片變得越來越小，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 通過光而不是電傳輸信息，通過光通道或光波導(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，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，同時消耗的能量比傳統(tǒng) IC 少得多，”Marpaung 說?！斑@些優(yōu)勢對于大型數(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)重的問題?！?另一個優(yōu)勢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?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聲波與光波結(jié)合時，它們的相互作用可能會導(dǎo)致比光子芯片更好的信息管理和傳輸。“當(dāng)你在光子 IC 中引入聲波時，它本質(zhì)上是一種比光波傳播速度慢得多的機(jī)械波，就會出現(xiàn)一系列全新的信息管理可能性，”Marpaung 說。'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、放大信號和選擇您想要保留的信息或數(shù)據(jù)。這可能會導(dǎo)致信號更清晰，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挑戰(zhàn)?？茖W(xué)家們設(shè)法通過使用兩束不同頻率的激光束來做到這一點(diǎn)。通過將激光束對準(zhǔn)光波導(dǎo)內(nèi)部，它們會相互影響：在某些點(diǎn)，激光束會相互削弱，而在其他點(diǎn)，它們會相互增強(qiáng)：這一過程稱為干涉。

“在激光相互增強(qiáng)的地方，它們會產(chǎn)生一種作用力，就像錘子一樣，”Marpaung 解釋道。“這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?！?聲波與光一起穿過光波導(dǎo)，壓縮周圍的光通道材料。這種壓縮也會影響和改變光的傳播速度。因此，通過調(diào)制聲音，科學(xué)家們還可以操縱穿過芯片的光波，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)踐中存在一些問題。構(gòu)建包含光波導(dǎo)的芯片是一個巨大的挑戰(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，通道對光運(yùn)行良好，但對聲波則不然。其他芯片材料可能表現(xiàn)出相反的情況。因此，科學(xué)家們需要建立一個同時適用于光波和聲波的光通道。一個非常復(fù)雜的任務(wù)。他們通過稍微操縱標(biāo)準(zhǔn)光子芯片的設(shè)計(jì)解決了這個問題。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，光就會四處散亂，沒有導(dǎo)向。然而，對于聲波來說，情況恰恰相反：它們在地核內(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)，解決了這個問題。他解釋說：“我們制作了一種波導(dǎo)，在玻璃罩內(nèi)包含的不是一個而是兩個氮化硅芯?！?“當(dāng)光線穿過這兩個核心時，核心之間會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。“這個新設(shè)計(jì)基本上是原理的證明，”Marpaung 說?！霸趯ξ覀兊幕驹O(shè)計(jì)進(jìn)行修改和縮放之后，將會有很多應(yīng)用，因?yàn)槁暡梢砸愿叻直媛屎?a target="_blank">高精度過濾和選擇信息。例如，它可以用于太空和國防技術(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)通過一項(xiàng)非常有聲望的 ERC Consolidator 贈款獲得了 250 萬歐元的歐盟資金！

審核編輯 ：李倩