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研究者製造出首個全光學奈米線交換器

2012/09/11 | | 標籤:

電腦每一年也許會變得更快,可是這些 1 與 0 如果由絢麗的光而非電來呈現,那麼這些在運算速度上的進步也許會相形見絀。

賓州大學的研究者在這個光子學的邊疆上獲得一項重要的進展,以硫化鎘(cadmium sulfide)奈米線塑造出第一個全光學光子交換器(all-optical photonic switch)。此外,他們將這些光子交換器結合成一個邏輯閘 — 電腦晶片的基礎元件,負責處理資訊。

研究由賓州大學工程與應用科學學院,材料科學與工程系助理教授 Ritesh Agarwal 以及的畢業生 Brian Piccione 所完成。博士後研究 Chang-Hee Cho 與 Lambert van Vugt(亦屬於材料科學系)有助於此研究。發表在《Nature Nanotechnology》期刊上。

此研究團隊的創新建立在其早期研究上,證明他們的硫化鎘奈米線展現出極度強烈的光-物質耦合(light-matter coupling),使得它們在操控光線上格外有效率。這項特質對於奈米級光子迴路的開發上至關緊要,因為現存用來控制光流動的機制顯得更龐大笨重,且能量需求也比其電子類似物來得更多。

「就奈米尺度下的光子結構而言,最大的挑戰是,讓光進入,一旦它在那裡就操縱它,然後讓它出去,」Agarwal 說。「我們主要的創新是,我們如何解決第一個問題,在這之中,那允許我們把奈米導線本身當成一種晶片光源(on-chip light source,詳見下面連結)來用。」

研究團隊一開始先在奈米線上精確地切削出一個間隙(gap)。他們接著將足夠能量注入到第一段奈米線,那開始自其末端發出雷射光,然後穿過間隙。因為研究者是由單根奈米線開始,故二個奈米線線段的末端完美地匹配,讓第二段能有效吸收光線,並在整個線段長度上傳輸光線。

「一旦我們在第二線段有光,我們就能在結構上發出另一道光,並關掉已經從導線上傳過去的光,」Agarwal 說。「是它之能成為交換器的關鍵。」

研究者能測量從第二段導線末端出來的光強度,並證明這個交換器能有效地重現用於邏輯裝置中的二進位狀態。

「將交換器放在一起,可以做出邏輯閘,將這些邏輯閘組裝起來讓你能夠進行運算,」Piccione 說。「我們利用這些光交換器建構一個 NAND 閘,是現代電腦處理的根本基石。」

一個 NAND 閘,意思是「非和」,當所有的輸入為 1 時,回傳一個 0 輸出。研究者將二個奈米導線交換器結合成一種 Y 形配置,就建構出一個 NAND 閘。NAND 閘對於運算很重要,因其為「功能完備(functionally complete)」,意思是,當(排列)順序正確時,它們能完成任何種類的邏輯運算,也因此構成泛用型電腦處理器的基礎。

「我們展望一個未來,在那裡「消費電子」變成「消費光子」,」Agarwal 說。「而這項研究證明這是有可能的。」

※ 以後「電腦」得改稱「光腦」。

資料來源:Researchers make first all-optical nanowire switch. phys.org [September 10, 2012]

轉載自 only perception

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