光子光學(xué)

導(dǎo)讀

近日，美國賓夕法尼亞大學(xué)教授 Ritesh Agarwal 的研究小組在光子計算領(lǐng)域取得新的科研進展，研究人員過特制的電場精準地控制光信號的混合，得到的輸出具有幾乎完美的對比度和極大的開關(guān)電流比，這些特性對于創(chuàng)造光學(xué)晶體管來說非常關(guān)鍵。

背景

現(xiàn)有的電子計算機是通過電流來傳遞和處理信息，通過晶體管操控電信號，進行二進制信息“0”和“1”的比特運算。然而，光子計算機中作為一種完全不同于電子計算機的新型計算機，它采用光子作為傳遞信息的載體，光互連代替導(dǎo)線互連，以光硬件代替電子硬件，以光運算代替電運算，利用光線來傳送信號，并由光導(dǎo)纖維與各種光學(xué)元件等構(gòu)成集成光路，從而進行數(shù)據(jù)運算、傳輸和存儲。

對于高度復(fù)雜的計算任務(wù)，光子計算機可以進行快速并行處理，因此理論上說，其運算速度較電子計算機具有顯著優(yōu)勢。作為一個非常有前途的前沿科技領(lǐng)域，光子計算機已經(jīng)受到了科學(xué)界廣泛關(guān)注。

創(chuàng)新

近日，美國賓夕法尼亞大學(xué)應(yīng)用科學(xué)和工程學(xué)院的教授 Ritesh Agarwal 在光子計算領(lǐng)域取得新的科研進展，旨在通過光線作為媒介實現(xiàn)更加高速的計算機。Agarwal 的光子計算研究，一直專注于通過類似于電子計算機組件的方式，尋找可以放大和混合光波材料的正確組合和物理配置。

在發(fā)表于《自然通信》（Nature Communications）雜志中的一篇論文中，他和他的同事們邁出了重要一步：通過特制的電場精準地控制光信號的混合，得到的輸出具有幾乎完美的對比度和極大的開關(guān)電流比（on/off ratio），這些特性對于創(chuàng)造光學(xué)晶體管來說非常關(guān)鍵。

技術(shù)

Agarwal 表示：“目前，例如計算‘5+7’，我們需要發(fā)送一個電信號代表‘5’，再發(fā)送一個電信號代表‘7’，晶體管進行混合制造出一個代表‘12’的電信號。通過光線這么做存在一個障礙，就是能夠混合光信號的材料往往也具有非常強烈的背景信號。這種背景信號將顯著降低對比度和開關(guān)電流比，從而導(dǎo)致是輸出錯誤?！?/p>

背景信號的存在會影響預(yù)期的輸出。光學(xué)晶體管必要的計算特性，例如：開關(guān)電流比、調(diào)制強度以及信號混合比，一直都非常差。然而，電氣晶體管卻在這些特性方面都具有較高的標準，從而可以預(yù)防錯誤。

按照這些特性要求，尋找出可在光學(xué)晶體管中使用的材料，是一件復(fù)雜工作。只有“非線性”材料才能進行這種光學(xué)信號混合。

為了解決這個問題，Agarwal 的研究小組的研究開始于尋找沒有背景信號的系統(tǒng)：由硫化鎘組成的納米“帶”。然后，Agarwal 和他的同事們通過納米帶施加電場，為系統(tǒng)引入光學(xué)非線性特征，使得這種系統(tǒng)能夠進行信號混合輸出，否則這個輸出將是零。

（圖片來源：參考資料【2】）

（圖片來源：參考資料【2】）

（圖片來源：參考資料【2】）

（圖片來源：參考資料【2】）

Agarwal 表示：“我們的系統(tǒng)可以從零啟動，然后變成極大的值，因此具有完美的對比度，以及極大的調(diào)制和開關(guān)電流比。”

價值

對于實現(xiàn)光子計算機來說，研究人員已經(jīng)尋找到了一種關(guān)鍵元件，下面的工作將包括將它們集成到光學(xué)互連、調(diào)制器、檢測器中，從而論證實際的計算。

關(guān)鍵字

晶體管、光學(xué)、計算機

參考資料

【1】https://news.upenn.edu/news/penn-engineering-research-gives-optical-switches-contrast-electronic-transistors

【2】Ming-Liang Ren, Jacob S. Berger, Wenjing Liu, Gerui Liu, Ritesh Agarwal. Strong modulation of second-harmonic generation with very large contrast in semiconducting CdS via high-field domain. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-02548-3