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光二極管已經可以集成在芯片上，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年分別發明集成電路以來，以硅為基礎的電子計算機已經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型寄予厚望，而就目前來看，它們當中最有希望的可能是光子計算機。 光子芯片會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關器件之一，它可以根據電流的方向不同而輸出不同的電流，進而表示1或者0。光二極管也應該類似于電子二極管般具有單向傳輸的特性，使某個方向的入射光可以通過，而反向的光信號則會完全反射。但是因為光的反射性，實現這種單向傳輸并不容易。 最近發表在《科學》雜志上的一篇文章改變了這種狀況。來自中國南京大學和美國加州理工大學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，能夠實現光線的單向傳輸。相比而言，傳統的光學器件就像是空氣一樣，“你看得見我，我也就看得見你。”這篇論文的第一作者、現在在加州理工大學從事博士后研究的馮亮說，“但是我要做的東西讓你能看見我，但是我看不見你。也就是你那邊發出來的信號到達不了我這里。” 這就是光二極管的作用，大多數時候，這種器件被叫做“光隔離器”。這種器件實際上已經有了超過100年的歷史，但是對于芯片級的光路設備來說，還沒有合適的解決方案。現在，這項受到中國國家基礎研究973項目、國家自然科學基金，以及美國國防部高等計劃研究署資助的研究，將會為光子芯片和光通訊領域帶來革命性的進展。 目前我們使用的光隔離器，大部分是基于19世紀發現的法拉第效應而實現的。法拉第效應是指線偏振光會在磁場中旋轉偏振方向的現象—線性偏振光早在20世紀早期就已經用于3D電影中，它們只會在某一個方向上振動，就像是我們在抖動一根繩子時所看到的那樣。基于法拉第效應的光隔離器一般由兩個線偏振器中間加上一個法拉第旋轉器構成，當在偏振光的傳播方向上添加外加磁場時，偏振光就會旋轉過一個角度，這個角度和磁感應強度、器件材料厚度和材料特性有關。現在常用的旋轉器往往是用釔鐵石榴石晶片加上與光線方向垂直的磁場制成，當光線通過這套隔離器時，沿著透光軸方向的光線能完全通過，而與之垂直的偏振光則完全不能通過。 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—無論光的方向如何，迎著外加磁場的磁感應強度方向觀察，偏振光總是順時針旋轉。所以在光隔離器中，兩個偏振器的透光軸之間的夾角被設置成45度。當光經過第一個偏振器后，偏振方向會旋轉45度，并通過第二個偏振器傳出；當反方向的光線傳入時，經過旋轉器再旋轉45度，光線的偏振方向將和第一個偏振器的透光軸方向垂直，也就完全無法通過。現在這種光隔離器已經廣泛使用于光通訊，例如作為光纖放大器的部件等等，已經相當成熟。 另一種方案是使用非線性材料，它能改變光的頻率，從而讓兩側射入的光線不會混在一起。但是，這兩種方案都無法在芯片中實現。現在我們談到的“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計量。硅材料不具有磁光效應，而且非線性效應也不大，所以傳統的光隔離器技術無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世界的對稱缺破為基礎的。在經典物理學中，對稱性規律占據著核心地位，我們之所以信任鏡子中自己的形象，就是因為宏觀宇稱對稱的存在——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現的“宇稱對稱性在弱相互作用中不守恒”現象打破了這一規律，人們開始意識到，在微觀世界，粒子并非和鏡子里的自己一模一樣。不僅如此，就連鏡像中的時間，也不一定以和真實世界中相同的速度流逝。 馮亮在碩士期間就讀的南京大學微結構國家重點實驗室，曾經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現時間反演和空間宇稱破缺的光路，則是這種原理的一個延伸。這兩種對稱性缺破證明了產生非對易現象的可能性，而研究人員利用蒸鍍技術，在硅波導中制作出正弦波形的鍺和鉻突起，則實現了完全單向的波矢躍遷和模式轉換。光線以對稱模式從左邊入射時，會一直保持對稱模式從右邊射出；而從右邊入射時則會發生模式轉換，產生非對稱模式。因為不同模式的光無法相互作用，因此這兩束光就被隔離開，不會造成光路錯誤。 現在，這個研究團隊已經制造出了一種新的光學波導—一個800納米寬、能輸送光的長硅條，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。 光子芯片中會包含許多器件，例如光源、光調制器、光放大器、光學微腔、光晶體管等等，目前大多數器件都已經實現了芯片化。現在這種新型光隔離器又將光子芯片的開發推進了一大步。也許只需要10年時間，家用計算機處理器中流動的就將不再是緩慢的電子，而是光速行進的光。 《第一財經周刊》 |
