美研制出迄今能耗最低的全光開關(guān)

　　據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)5月3日?qǐng)?bào)道，美國(guó)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(píng)論快報(bào)》雜志上。

　　新開關(guān)能引導(dǎo)光束從一個(gè)方向到達(dá)另一個(gè)方向，整個(gè)過(guò)程只需耗費(fèi)120皮秒（120萬(wàn)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�？茖W(xué)家們使用了波長(zhǎng)為921納米的近紅外線，約有140個(gè)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(gè)門信號(hào)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(hào)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(guò)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(shí)驗(yàn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）進(jìn)行。他們使用置于共振光腔內(nèi)的一個(gè)量子點(diǎn)（相當(dāng)于一個(gè)門）制造出了該全光開關(guān)。該共振光腔是一個(gè)擁有很多小洞的光子晶體，只允許少數(shù)光波通過(guò)該晶體。量子點(diǎn)由銦和砷組成，僅為1納米大小，使在其內(nèi)部移動(dòng)的電子只能散發(fā)出波長(zhǎng)不連貫的光。

　　當(dāng)光沿著附近的波導(dǎo)行進(jìn)時(shí)，其中的一些光會(huì)進(jìn)入共振光腔內(nèi)，同量子點(diǎn)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(gè)光子都需要在波導(dǎo)內(nèi)來(lái)產(chǎn)生開關(guān)行為，但其實(shí)只有6個(gè)光子做到了。

　　以前研制出的全光開關(guān)只能通過(guò)使用笨重的非線性晶體和高輸入功率來(lái)工作。而新開關(guān)使用單個(gè)量子點(diǎn)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(guò)，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(diǎn)開關(guān)還不能完全算是一個(gè)“光學(xué)晶體管”，目前還只能使用低光子數(shù)量脈沖來(lái)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(guò)，鮑斯也強(qiáng)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(hào)路由器。鮑斯說(shuō)：“最新研究表明，只需要使用6個(gè)光子的能量就能執(zhí)行開關(guān)任務(wù)，以前從來(lái)沒(méi)有人做到這一點(diǎn)；以前也沒(méi)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(gè)里程碑。”