研究團隊開發(fā)了微型低能耗設備 可快速重新路由計算機芯片中的光

美國國家標準技術研究院(NIST)的研究人員及其同事開發(fā)了一種光開關，該光開關可以將光從一個計算機芯片傳輸到另一個計算機芯片，速度僅為20億分之一秒，比其他同類設備要快。緊湊型開關是第一個在足夠低的電壓下工作以集成到低成本硅芯片上并以非常低的信號損耗重新定向光的開關。

該交換機創(chuàng)紀錄的性能是構建使用光而不是電來處理信息的計算機的重要新一步。與電子通信相比，依靠光子-光子在計算機內傳輸數據具有多個優(yōu)勢。光子的傳播比電子快，并且不會通過加熱計算機組件而浪費能量。管理廢熱是提高計算機性能的主要障礙。數十年來，光信號已使用光纖通過遠距離傳輸信息，但是光纖占用的空間太大，無法用于在計算機芯片上傳輸數據。

新的開關結合了納米級的金和硅光學，電氣和機械組件，所有組件都密集地包裝在一起，以將光引導進出微型跑道，并改變其速度并改變其行進方向。(1納米等于一米的十億分之一，即一頭人類頭發(fā)的寬度的十分之一。)NIST領導的國際團隊今天在《科學》網上描述了該設備。

NIST，蘇黎世聯邦理工學院和馬里蘭大學的研究合著者克里斯蒂安·哈夫納指出，該設備具有多種應用。在無人駕駛汽車中，該開關可以快速重定向單個光束，該光束必須連續(xù)掃描道路的所有部分以測量與其他汽車和行人的距離。該設備還可以使神經網絡中使用更強大的基于光的電路代替基于電的電路更加容易。這些是人工智能系統，可以模擬人腦中的神經元如何做出有關模式識別和風險管理等復雜任務的決策。

新技術還使用很少的能量來重定向光信號。此功能可能有助于實現量子計算的夢想。量子計算機處理存儲在專門準備的亞原子對之間的微妙關系中的數據。但是，這些關系非常脆弱，要求計算機在超低溫和低功率下運行，以使對的粒子對產生的干擾盡可能少。與以前的光開關不同，由于新的光開關所需的能量很少，因此它可以成為量子計算機不可或缺的一部分。

Haffner和他的同事(包括NIST的Vladimir Aksyuk和Henri Lezec)說，他們的發(fā)現可能令科學界的許多人感到意外，因為結果與長期以來的信念背道而馳。一些研究人員認為光電開關不切實際，因為它們體積大，操作速度太慢并且要求電壓過高，計算機芯片的組件無法承受。

開關利用了光的波特性。當兩個相同的光波相遇時，它們可以重疊，以使一個波的波峰對齊或增強另一個波的波峰，從而形成稱為相長干涉的明亮圖案。兩波也可能完全不同步，因此一個波谷會抵消另一個波的波峰，從而產生暗模式(破壞性干擾)。

在團隊的設置中，光束被限制在微型高速公路內傳播，微型高速公路是一個稱為波導的管狀通道。該線性高速公路的設計使其具有一個匝道-一些光可以射入到僅幾納米之遙的跑道形空腔中，并蝕刻到硅盤中。如果光的波長恰到好處，它在離開硅腔之前會在賽道周圍多次鞭打。

開關還有另一個關鍵的組成部分：一層金膜，懸在硅盤上方幾十納米處。在硅跑道上傳播的某些光會泄漏出去并撞擊膜，從而在膜表面引發(fā)電子群的振蕩。這些振蕩被稱為等離激元，是光波和電子波之間的一種混合：振蕩的電子類似于入射的光波，因為它們以相同的頻率振動，但波長卻短得多。較短的波長使研究人員可以在將振蕩轉換回光之前，在納米級距離上操縱等離激元，該距離遠小于原始光波的長度。反過來，這使得光開關保持極其緊湊。

通過將硅片和金膜之間的間隙寬度僅改變幾納米，研究人員可以延遲或推進混合光波的相位，即該波到達波峰或波谷的時間點。研究小組通過靜電彎曲金膜實現了間隙寬度的微小變化，從而極大地改變了相位。

根據團隊推進或延遲波的相位的多少，當波與仍然在管狀高速公路中傳播的光重新組合時，兩束光會產生相長干涉或相消干涉(請參見動畫)。如果光束匹配以產生相長干涉，則光將沿其原始方向繼續(xù)前進，并沿燈管向下傳播。但是，如果光束產生相消干涉，彼此抵消，則該路徑將被阻塞。取而代之的是，光必須沿另一個方向移動，該方向取決于放置在受阻路徑附近的其他波導或路徑的方向。這樣，可以隨意將光切換到數百個其他計算機芯片中的任何一個。

科學家曾經認為，等離子系統會大大衰減光信號，因為光子會穿透金膜的內部，而電子將吸收大量的光能。

但是研究人員現在證明了這一假設是錯誤的。該設備的緊湊性和確保幾乎沒有光子穿透膜的設計所導致的光信號損失僅為2.5%，而之前的開關僅為60%。盡管仍是原型，但這使該開關可用于商業(yè)應用。

該團隊現在正在通過縮短硅片和金膜之間的距離來使設備更小。這將進一步減少信號損失，使該技術對行業(yè)更具吸引力。