編譯 | 芯東西 段祎
編輯 | Panken
據(jù)荷蘭特溫特大學(xué)（UT）獨(dú)立新聞媒體U Today 3月14日?qǐng)?bào)道，該校非線性納米光子學(xué)小組的教授David Marpaung和他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種高性能新型光子芯片。該芯片可以用光波和聲波的組合來(lái)處理數(shù)字信息，這種下一代芯片相較與基于電流的傳統(tǒng)芯片，體積更小、信息傳輸量更大、精度更高、能耗更少。
新型光子芯片可能將帶來(lái)新一輪技術(shù)革新，徹底改變數(shù)據(jù)傳輸。它可以用于太空和國(guó)防技術(shù)、下一代通信技術(shù)，還有量子計(jì)算機(jī)。因新型光子芯片具有巨大的研究前景，該研究項(xiàng)目獲得了250萬(wàn)歐元的歐盟資金。
一、新型芯片設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：摒棄紅外光，使用紅光讓光路可見
乍一看，David Marpaung和他的團(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。這一切與一個(gè)放在顯微鏡下的微型芯片有關(guān)，這枚芯片的尺寸大約為1.5cm*1cm。附近的電腦屏幕全屏顯示著芯片。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?！盡arpaung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（線條）亮起的紅色的屏幕：“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)。”
實(shí)驗(yàn)室電腦屏幕上顯示的通路（圖源：U Today）
二、打通“光的高速公路”，小體積優(yōu)勢(shì)讓海量數(shù)據(jù)順利集成
芯片是現(xiàn)代生活的重要組成部分。芯片的低成本使得其可以大規(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，這些電路充當(dāng)信息傳輸?shù)母咚俟罚昏偳对谝粔K平坦的硅片上。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)，一切都離不開它。隨著時(shí)間的推移，芯片的尺寸變得越來(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。
芯片技術(shù)的下一件大事是所謂的光子芯片。這些芯片通過(guò)光而不是電傳輸信息，光通道或光波導(dǎo)被視為“光的高速公路”。這種基于光的信息傳輸與傳統(tǒng)芯片相比具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，且具有改進(jìn)當(dāng)前基于電傳輸?shù)男酒木薮鬂摿Α?/p>
“基于光的芯片體積更小，可以打包和處理更多信息，同時(shí)消耗的能量比傳統(tǒng)芯片少得多，”Marpaung說(shuō)，“這些優(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)芯片類似。
三、挑戰(zhàn)聲、光波結(jié)合改進(jìn)，探索信息管理新的可能性
然而，改進(jìn)當(dāng)前的光子芯片是有可能的?？茖W(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)促成比光子芯片更好的信息管理和傳輸?！爱?dāng)你在光子芯片中引入聲波時(shí)，聲波本質(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)，“聲波較慢的傳播速度使得處理信息的準(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)使信號(hào)更清晰、噪音影響更小?！?/p>
在微型芯片中引入聲波本身就是一個(gè)挑戰(zhàn)。科學(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)程稱為光的干涉。
“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，“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(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。
四、引導(dǎo)光傳播的氮化硅和玻璃，光通道材料兩大功臣
雖然理論成立，但在實(shí)踐中仍存在一些問(wèn)題。構(gòu)建可以很好地引導(dǎo)聲波的包含光波導(dǎo)的芯片是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，但這是在光和聲音之間進(jìn)行適當(dāng)交互時(shí)必面臨的問(wèn)題。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，這是一個(gè)非常復(fù)雜的任務(wù)。他們通過(guò)微妙操縱標(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)芯片中的光波導(dǎo)由兩種不同的材料組成，即氮化硅和玻璃，它們經(jīng)過(guò)優(yōu)化以引導(dǎo)光。在氮化硅核心中，光緩慢傳播，周圍環(huán)繞著玻璃外殼，光線快速傳播。
Marpaung說(shuō)：“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，聲波在地核內(nèi)部傳播得更快，這導(dǎo)致大量聲波從地核外部逃逸，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。 ”
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)，解決了光波和聲波不能有效結(jié)合的問(wèn)題。Marpaung教授解釋說(shuō)：“我們制作了一種波導(dǎo)，在玻璃外殼內(nèi)包含的不是一個(gè)而是兩個(gè)氮化硅核心?！?“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外殼中。如果我們也在核心之間創(chuàng)建聲波，引導(dǎo)它進(jìn)入玻璃外殼內(nèi)部，就能將聲波和光波保持在一個(gè)空間中，讓聲音干擾光。
Marpaung教授稱，該解決方案的優(yōu)點(diǎn)在于，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(gè)新設(shè)計(jì)基本上是原理的證明，”Marpaung還說(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)用出現(xiàn)，因?yàn)槁暡梢砸愿叻直媛屎透呔冗^(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)，還有量子計(jì)算機(jī)。因?yàn)檫@些有前景的應(yīng)用，我們的團(tuán)隊(duì)通過(guò)一項(xiàng)非常有聲望的ERC Consolidator，獲得了250萬(wàn)歐元的歐盟資金！”
結(jié)語(yǔ)：攻克技術(shù)難題，新型光子芯片未來(lái)可期
與傳統(tǒng)的電傳輸?shù)男酒啾?，新一代光子芯片有三大?yōu)勢(shì)：體積更小、打包處理信息更多、耗能更少。這種基于光通道的芯片潛力巨大，同時(shí)，在研制過(guò)程中遇到的難題也會(huì)更多。
科學(xué)家將聲波和光波結(jié)合，做出進(jìn)一步改進(jìn)，通過(guò)聲、光波的相互作用促成比光子芯片更好的信息管理和傳輸，使信號(hào)更清晰，噪音影響更小。與此同時(shí)，氮化硅和玻璃材料在光通道中對(duì)光傳播時(shí)的引導(dǎo)也極為重要，為聲、光波結(jié)合做出了進(jìn)一步的貢獻(xiàn)。
總之，新一代光子芯片未來(lái)可期，我們將共同期待它帶來(lái)的新一輪技術(shù)革命。
來(lái)源：U Today