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美研制出迄今能耗最低的全光开关

导读: 美国联合量子研究所(JQI)的科学家最新研制出迄今能耗最低的一款全光开关。新开关有望成为光子学和电子学“联姻”的纽带,科学家们可据此研究出能工作的光电通讯协议。

  据美国物理学家组织网5月3日报道,美国联合量子研究所(JQI)的科学家最新研制出迄今能耗最低的一款全光开关。新开关有望成为光子学和电子学“联姻”的纽带,科学家们可据此研究出能工作的光电通讯协议。研究发表在《物理评论快报》杂志上。

  新开关能引导光束从一个方向到达另一个方向,整个过程只需耗费120皮秒(120万亿分之一秒),而且能耗仅为90阿焦(即1×10-18焦耳),是目前能耗最低的全光开关,其能耗仅为此前日本研制出的全光开关的五分之一,是其他全光开关的百分之一。科学家们使用了波长为921纳米的近红外线,约有140个光子。

  大多数电子设备的核心部件是晶体管,它是一种固体半导体器件,在其中,一个门信号被施加到附近细小的导电通路上,以此打开和关闭信息信号的传送通道。而在光子学内,固体器件全光开关既能像门一样,打开或关闭光通过附近波导的通路;也能像路由器一样,将不同方向上的光束打开或关闭。

  实验由马里兰大学的埃多·沃克斯和同事在马里兰大学和国家标准与技术研究所(NIST)进行。他们使用置于共振光腔内的一个量子点(相当于一个门)制造出了该全光开关。该共振光腔是一个拥有很多小洞的光子晶体,只允许少数光波通过该晶体。量子点由铟和砷组成,仅为1纳米大小,使在其内部移动的电子只能散发出波长不连贯的光。

  当光沿着附近的波导行进时,其中的一些光会进入共振光腔内,同量子点相互作用,正是这种相互作用改变了波导的传输特性。尽管140个光子都需要在波导内来产生开关行为,但其实只有6个光子做到了。

  以前研制出的全光开关只能通过使用笨重的非线性晶体和高输入功率来工作。而新开关使用单个量子点和非常低的输入功率就获得了极高的非线性相互作用,不过,尽管其能耗比日本研制出的全光开关低,但日本的开关能在室温下操作,而新开关只能在40开(-233.15摄氏度)左右工作。

  JQI的科学家拉诺伊·鲍斯表示,该量子点开关还不能完全算是一个“光学晶体管”,目前还只能使用低光子数量脉冲来调制一束光,他希望能增加(减少)打开和关闭共振腔所需要的光子数量。

  不过,鲍斯也强调称,新开关预示着科学家们可以制造出一种能工作的、超快速、低能耗的芯片信号路由器。鲍斯说:“最新研究表明,只需要使用6个光子的能量就能执行开关任务,以前从来没有人做到这一点;以前也没有人研制出能耗低于100阿焦的全光开关,这是基础物理学领域的一个里程碑。”

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