美科学家研制出光学芯片，能耗更低 科学家, 光学, 技术

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美国华盛顿大学圣路易斯分校(Washington University in St. Louis)的研究人员打造出一种可望成为微处理器关键元素的新技术，它是使用光而非电来进行资料处理。该研究团队已经开发了一套光学谐振器(resonator)系统，能增强光线针对某个方向的传导，并将光线往其他方向的传导削弱到几乎看不见；此外该系统也微缩到能放进一颗硅晶片内的程度。




上述技术与电气系统内的简易二极管原理相同，是使用量子力学的扭转(twisting)概念，不只让光线只沿着单一方向传导，而且看来是装置所输出的能量高于输入的能量。在一个甜甜圈形状的元件中有两个微谐振器来回反射光线，其中之一倾向损失能量，另一个则是提升能量；当损失的能量相当于特定波长的增益(gain)，系统就会产生相变化，谐振器作用也会逆转。

根据华盛顿大学研究人员在新出版4月号《Nature Physics》期刊上发表的论文《谐振器之间的时间性关系(temporal relationship)逆转了，能量损失变成增加、增加变成损失》，这样的结果能打造出比目前电气线路更细微之光学通道，所需要的能量也更低，而且能采用目前的标准半导体电路设计技术。

在传统光学二极体中，从某个方向输入的光线会被传导出去，而从另一个方向输入的光线则会被拦截；华盛顿大学研究人员开发的新一代光学二极管，则是利用宇称(parity time symmetric)性微谐振器所制作，当某个谐振器的能量损失，能由另一个谐振器的能量增益来平衡

“我们相信这个发现将有益于电子学、声学、电浆子光学(plasmonics)以及超材料(meta-materials)等领域”，负责监督此研究的华盛顿大学实验室总监Lan Yang表示。“以宇称性(parity time symmetry，PT symmetry)方式来耦合所谓的损、益元件，能催生像是隐形装置、消耗更少电力的更强雷射，甚至是能“看”到单一颗原子的探测器等先进技术。”

华盛顿大学的论文主要作者、Yang团队研究生Bo Peng表示：“目前我们以二氧化硅(silica)来打造新一代光学二极管，这种材料在电信通讯波长中的耗损很小；这种技术概念也可以扩展至采用其他材料制作的谐振器，以实现更佳的CMOS制程相容性。”

用一个比喻来形容，这种元件的运作原理与英国圣保罗大教堂(St. Paul"s Cathedral)的耳语廊(Whispering Gallery)有点类似──当有人在走廊的某一端小声讲话，另外一端的人能清楚听到，但站在发声端附近的反而听不见。

在理论上，这种元件是比较有问题的；它是利用物理学的宇称概念，也就是一个封闭空间中的能量可能不等于内部实际粒子内能量的实际与潜在能量。

该元件反射两个微谐振器之间的光束，其中之一能量耗损、另一个增加，当某个谐振器的增益等同于另外一个的耗损，系统的宇称就会被打破；华盛顿大学的论文指出：“此时系统即使在非常弱的输入电力之下，也会呈现强劲的非线性行为──输入光线的增益强度会呈现非常陡峭的直线斜率，也就是光线只会由单一个方向传导。”

此时一个明显的结果是，发出自元件的光束强度比输入该元件的能量更高；打造谐振器的研究人员Kaya Ozdemir 表示：“时间反演对称(Time reversal symmetry)是一个基础物理原则，指的是如果光线会沿着单一方向传导出去，那一定也能从另一端传导回来；但在新的光学二极体内，这个原则就不成立了。”

Ozdemir指出，工程师传统是以磁光学(magneto-optics)或是高磁场来打破时间反演对称，但华盛顿大学团队是透过打破宇称(宇称不守恒)所产生的强劲非线性来达成；当输入功率只有1mW时，能让单一方向的光线传输强度提高十七倍，但没有从另一端过来的光线传输；而如果不使用宇称概念搭配谐振器的结构，不可能达到这样的结果。