編譯 | 芯東西 段祎
編輯 | Panken
據(jù)荷蘭特溫特大學（UT）獨立新聞媒體U Today 3月14日報道，該校非線性納米光子學小組的教授David Marpaung和他的團隊設(shè)計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防技術(shù)、下一代通信技術(shù)，還有量子計算機。因新型光子芯片具有巨大的研究前景，該研究項目獲得了250萬歐元的歐盟資金。
一、新型芯片設(shè)計基礎(chǔ)：摒棄紅外光，使用紅光讓光路可見
乍一看，David Marpaung和他的團隊的實驗裝置與房間里的許多其他裝置相似：黑色窗簾將實驗室桌子隔開，桌子上擺滿了細光纖、顯微鏡和看起來很復雜的設(shè)備。但是科學家們在這里進行了獨特的實驗，這可能會改變數(shù)字信息的處理方式。這一切與一個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細細的光纖，傳遞到連接的芯片上。Marpaung指著賽道（線條）亮起的紅色的屏幕：“你看光是如何通過這些細線引導的，這些是特殊的光通道，是我們新芯片設(shè)計的基礎(chǔ)。”
實驗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，這些電路充當信息傳輸?shù)母咚俟?，被鑲嵌在一塊平坦的硅片上。從計算機、手機、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。隨著時間的推移，芯片的尺寸變得越來越小，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。
芯片技術(shù)的下一件大事是所謂的光子芯片。這些芯片通過光而不是電傳輸信息，光通道或光波導被視為“光的高速公路”。這種基于光的信息傳輸與傳統(tǒng)芯片相比具有多項優(yōu)勢，且具有改進當前基于電傳輸?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，同時消耗的能量比傳統(tǒng)芯片少得多，”Marpaung說，“這些優(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蔀槿找鎳乐氐膯栴}。” 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，因為它們的基本運行方式與傳統(tǒng)芯片類似。
三、挑戰(zhàn)聲、光波結(jié)合改進，探索信息管理新的可能性
然而，改進當前的光子芯片是有可能的?？茖W家們發(fā)現(xiàn)，當聲波與光波結(jié)合時，它們的相互作用可能會促成比光子芯片更好的信息管理和傳輸?！爱斈阍诠庾有酒幸肼暡〞r，聲波本質(zhì)上是一種比光波傳播速度慢得多的機械波，就會出現(xiàn)一系列全新的信息管理可能性，”Marpaung說，“聲波較慢的傳播速度使得處理信息的準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)。這可能會使信號更清晰、噪音影響更小。”
在微型芯片中引入聲波本身就是一個挑戰(zhàn)?？茖W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。通過將激光束對準光波導內(nèi)部，它們會相互影響，在某些點，激光束會相互削弱，而在其他點，它們會相互增強，這一過程稱為光的干涉。
“在激光相互增強的地方，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，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。
四、引導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，但在實踐中仍存在一些問題。構(gòu)建可以很好地引導聲波的包含光波導的芯片是一個巨大的挑戰(zhàn)，但這是在光和聲音之間進行適當交互時必面臨的問題。例如，在現(xiàn)代硅光子芯片中，通道對光運行良好，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，科學家們需要建立一個同時適用于光波和聲波的光通道，這是一個非常復雜的任務(wù)。他們通過微妙操縱標準光子芯片的設(shè)計解決了這個問題。這些標準芯片中的光波導由兩種不同的材料組成，即氮化硅和玻璃，它們經(jīng)過優(yōu)化以引導光。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：“最后，光以較低的速度被引導通過并保留在核心內(nèi)，因為它由于全內(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，沒有導向。然而，對于聲波來說，情況恰恰相反，聲波在地核內(nèi)部傳播得更快，這導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)的波導設(shè)計中光波和聲波不能有效地結(jié)合。 ”
Marpaung教授和他的團隊提出了一種出色的標準光波導替代設(shè)計，解決了光波和聲波不能有效結(jié)合的問題。Marpaung教授解釋說：“我們制作了一種波導，在玻璃外殼內(nèi)包含的不是一個而是兩個氮化硅核心。” “當光線穿過這兩個核心時，核心之間會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，引導它進入玻璃外殼內(nèi)部，就能將聲波和光波保持在一個空間中，讓聲音干擾光。
Marpaung教授稱，該解決方案的優(yōu)點在于，基于穩(wěn)定成熟的設(shè)計光波導可以輕松修改以適應更多應用?！斑@個新設(shè)計基本上是原理的證明，”Marpaung還說，“在對我們的基本設(shè)計進行修改和縮放之后，將會有很多應用出現(xiàn)，因為聲波可以以高分辨率和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)，還有量子計算機。因為這些有前景的應用，我們的團隊通過一項非常有聲望的ERC Consolidator，獲得了250萬歐元的歐盟資金！”
結(jié)語：攻克技術(shù)難題，新型光子芯片未來可期
與傳統(tǒng)的電傳輸?shù)男酒啾?，新一代光子芯片有三大?yōu)勢：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，在研制過程中遇到的難題也會更多。
科學家將聲波和光波結(jié)合，做出進一步改進，通過聲、光波的相互作用促成比光子芯片更好的信息管理和傳輸，使信號更清晰，噪音影響更小。與此同時，氮化硅和玻璃材料在光通道中對光傳播時的引導也極為重要，為聲、光波結(jié)合做出了進一步的貢獻。
總之，新一代光子芯片未來可期，我們將共同期待它帶來的新一輪技術(shù)革命。
來源：U Today