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热点:科学家研发光开关可集成于硅芯片用于无人驾驶汽车扫描道路所有部分

据外媒报道,美国国度圭臬暨妙技研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)的研究人员与同事合作,研发出一种光开关,或许将光以20亿分之一秒的速率从一个争论机芯片传输至另一个争论机芯片,比任何其他雷同设备都快。该紧凑型开关是首个或许在充沛低的电压下运行的光开关,因而可集成至低本钱的硅芯片上,并能以非常低的旌旗损耗重新转变光线的方向。

(图片泉源:美国国家圭臬暨妙技研究院)

该开关具有创纪录的机能,也是打造使用光线而不是电力处置信息的计算机的重要一步。依靠毫光粒子 – 光子在计较机中传输数据有几大优势。首先,光子的速度比电子快,并且不会由于需要加热计算机组件而蹂躏能量,而办理废热正是提拔较量机机能的一大劝止。数十年来,光纤一直使用光信号在远隔绝传输信息,不过,光纤会占有太多空间,因而无法用于计较机芯片传输数据。

新型开关结合了纳米巨细的金和硅光学元件、电子元件和机械元件,所有此类元件都被辘集地封装在一起,或许将光从一个微型通道中导入并导出,转变光速并转变行进方向。一纳米是十亿分之一米,大约是人类头发宽度的十万分之一。

该研究请示的合著者,NIST、苏黎世联邦理工学院和马里兰大学的Christian Haffner显露,该设备有无数应用。在无人驾驶汽车中,该开关能够敏捷改变一束光的倾向,让这束光必须同时连续扫描阶梯的悉数部分,资助无人驾驶汽车丈量其与其他汽车和行人间的隔断。该设备还或许在神经收集中,让更强大的光基电路取代电力电路。这些都是人工智能系统,或许在模式辨认和风险管理等重大义务中,模仿人类大脑中神经元做出计划的格局。

该项新手段还险些不会利用能量来转变光信号的偏向,该功能能够帮助实现量子较量。量子争论时价惩罚存储在非凡制备的亚原子粒子对之间微妙关联中的数据,而此类联系极其软弱,要求计较机在超低温和低功耗下工作,粒子对受到的滋扰越少越好。因为该新型光开关与以前的光开关差别,险些不需能量,因而或许成为量子计算机的一部门。

Haffner与NIST的Vladimir Aksyuk和Henri Lezec表示,他们的发现将令科学界很多人受惊,因为该了局与各人长久以来所相信的理论不符。有些研究职员认为,光电机械开关不实用,由于体积庞大,运行速度太慢而且对计较机芯片元件的电压要求过高,难以忍耐。

该开关利用了光的波动性,当两个不异的光波相遇时,或许叠加,让其中一个光波的波峰对齐或增强另一个光波的波峰,从而创造出一种称为相长干预(constructive interference)的豁亮模式。两个光波如果不完全同步,个中一个光波的波谷就会抵消另一个光波的波峰,产生一种称为相消干与(destructive interference)的黑暗模式。

研究小组在规划中,让一束光限定在微型的高速公路上,即一种称为波导的管状通道。此种直线型高速公路被设计成有一个出口匝道(斜坡),让有些光可以进入跑道型腔体中,此类腔体离匝道只有几纳米远,被蚀刻在硅盘上。要是光的波长合适,则能够在离开硅腔体前,绕着跑道旋转多次。

该开关尚有一个主要组件:在硅盘上方几十纳米处还悬挂了一个金膜。有些在硅跑道上流传的光会泄露出来,击中薄膜,导致薄膜外貌的电子群孕育振荡。此类振荡被称为等体离子(plasmons),是光波和电子波混淆体的一种:振荡的电子与入射光波相似,因为它们以沟通的频率振动,但它们的波长要短得多。较短的波长让研究人员可以在几纳米的距离局限内操控等体离子,此种隔绝远短于原始光波的长度,然后再将振荡转化为光,反过来又使光开关异常紧凑。

经由转变硅盘与金膜之间仅有的几纳米的漏洞宽度,研究职员可以将混淆光波的相位(即波到达波峰或波谷的时间点)耽误或提前。研究人员使用静电使金膜弯曲,纵然漏洞宽度仅产生了微小的变幻,也会极大地改变相位。

当两束光在管道型的高速公路上从头结合时,取决于研究人员迟误照旧提前了光波的相位,该两束光要么会相长干与,要么会相消干预。要是光束相成家,导致相长干涉,光泽就会延续沿着原来的偏向,一起顺着管道前进。如果光束相消干预,通道就会被阻断。相反,该毫光必需沿着其他偏向移动,而进步倾向由安排在被阻断通道附近的其他波导或路径信念。通过此种体式,光或许随意地被转换到任一计算机芯片上。

科学家们曾经认为,等体离子体系会极大地削弱光灯号,因为光子会穿透金膜的内部,导致电子接收大部分光能。

不外,研究职员已经证实该假设是瑕玷的,该设备非常紧凑,并且其规划确保了险些没有光子会穿透薄膜,而且光信号的消耗只有2.5%,而之前的开关的消费为60%,使得尽量该开关仍处于原型阶段,但仍能够应用于贸易范畴。

如今,该团队正在尽力收缩硅盘与金膜之间的距离,使该设备尺寸更小,进一步裁汰灯号耗损,让家产对该技术更感爱好。