美研制出迄今能耗最低的全光開關(guān)

　　據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)5月3日報道，美國聯(lián)合量子研究所（JQI）的科學(xué)家最新研制出迄今能耗最低的一款全光開關(guān)。新開關(guān)有望成為光子學(xué)和電子學(xué)“聯(lián)姻”的紐帶，科學(xué)家們可據(jù)此研究出能工作的光電通訊協(xié)議。研究發(fā)表在《物理評論快報》雜志上。

　　新開關(guān)能引導(dǎo)光束從一個方向到達另一個方向，整個過程只需耗費120皮秒（120萬億分之一秒），而且能耗僅為90阿焦（即1×10-18焦耳），是目前能耗最低的全光開關(guān)，其能耗僅為此前日本研制出的全光開關(guān)的五分之一，是其他全光開關(guān)的百分之一。科學(xué)家們使用了波長為921納米的近紅外線，約有140個光子。

　　大多數(shù)電子設(shè)備的核心部件是晶體管，它是一種固體半導(dǎo)體器件，在其中，一個門信號被施加到附近細(xì)小的導(dǎo)電通路上，以此打開和關(guān)閉信息信號的傳送通道。而在光子學(xué)內(nèi)，固體器件全光開關(guān)既能像門一樣，打開或關(guān)閉光通過附近波導(dǎo)的通路；也能像路由器一樣，將不同方向上的光束打開或關(guān)閉。

　　實驗由馬里蘭大學(xué)的埃多•沃克斯和同事在馬里蘭大學(xué)和國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）進行。他們使用置于共振光腔內(nèi)的一個量子點（相當(dāng)于一個門）制造出了該全光開關(guān)。該共振光腔是一個擁有很多小洞的光子晶體，只允許少數(shù)光波通過該晶體。量子點由銦和砷組成，僅為1納米大小，使在其內(nèi)部移動的電子只能散發(fā)出波長不連貫的光。

　　當(dāng)光沿著附近的波導(dǎo)行進時，其中的一些光會進入共振光腔內(nèi)，同量子點相互作用，正是這種相互作用改變了波導(dǎo)的傳輸特性。盡管140個光子都需要在波導(dǎo)內(nèi)來產(chǎn)生開關(guān)行為，但其實只有6個光子做到了。

　　以前研制出的全光開關(guān)只能通過使用笨重的非線性晶體和高輸入功率來工作。而新開關(guān)使用單個量子點和非常低的輸入功率就獲得了極高的非線性相互作用，不過，盡管其能耗比日本研制出的全光開關(guān)低，但日本的開關(guān)能在室溫下操作，而新開關(guān)只能在40開（-233.15攝氏度）左右工作。

　　JQI的科學(xué)家拉諾伊•鮑斯表示，該量子點開關(guān)還不能完全算是一個“光學(xué)晶體管”，目前還只能使用低光子數(shù)量脈沖來調(diào)制一束光，他希望能增加（減少）打開和關(guān)閉共振腔所需要的光子數(shù)量。

　　不過，鮑斯也強調(diào)稱，新開關(guān)預(yù)示著科學(xué)家們可以制造出一種能工作的、超快速、低能耗的芯片信號路由器。鮑斯說：“最新研究表明，只需要使用6個光子的能量就能執(zhí)行開關(guān)任務(wù)，以前從來沒有人做到這一點；以前也沒有人研制出能耗低于100阿焦的全光開關(guān)，這是基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域的一個里程碑。”