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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