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2018
04-16

工程师在纳米级有效地“混合”光线


使计算机组件更小,更快,使用较少的力量正在推动电子在材料中的属性的限制。光子系统最终可能会取代电子系统,但计算的基本原理是将两个输入混合成一个单一的输出,而目前需要太多的空间和电力。

从腔体底部发出的光线。虚线表示硫化镉纳米线的取向。

宾夕法尼亚大学的研究人员设计了一个纳米线系统,可以为这种能力铺平道路,将两个光波组合起来,产生不同频率的三分之一波长,并使用光腔将输出强度放大到可用水平。

本研究由宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院材料科学与工程教授Ritesh Agarwal和他的实验室的博士后研究人员Ming-Liang Ren带领。 Agarwal实验室的其他成员刘文静,Carlos O. Aspetti和孙立新对这项研究做出了贡献。

它发表在自然通讯。

当前的计算机系统通过电力来代表信息的一部分 - 二进制代码的1和0。诸如晶体管的电路元件对这些电信号进行操作,产生取决于其输入的输出。

Agarwal说:“混合两个输入信号以获得新的输出是计算的基础。 “使用电子信号很容易,但是用光做并不容易,因为光波通常不会互相影响。”

“混合”光线所固有的困难似乎违反了直觉,给定了色彩在电视机或电脑屏幕上,仅由红色,绿色和蓝色像素组合而成。那些展示的黄色,橙色和紫色是感知技巧,而不是物理学。红色和蓝色光线是同时进行的,而不是合并成一个紫色的波长。

光学腔的示意图。所谓的“非线性”材料能够进行这种混合,但是由于高功率和大体积限制,即使是这个类别中的最佳候选对于计算应用也是不可行的。

“非线性材料,如硫化镉,可以改变通过它的光线的频率和颜色,”Ren说,“但是你需要强大的激光,即使如此,材料也需要是多微米甚至高达毫米厚。这对于计算机芯片来说是行不通的。“

为了减少材料的体积和做有用的信号混合所需的光的功率,研究人员需要一种方法来放大光波通过时的强度硫化镉纳米线。

研究人员通过巧妙的光学工程实现了这一目标:将纳米线部分包裹在银壳中,充当回波室。 Agarwal的小组在之前采用了类似的设计,致力于创造光子设备,可以快速开关。这种质量依赖于被称为表面等离子体共振的现象,但是通过改变光线进入纳米线的极化,研究人员能够更好地将其限制在器件的频率变化非线性部分:纳米线核心。 Ren说:“通过对结构进行工程设计,使光线主要包含在硫化镉中,而不是在银壳与银壳之间的界面上,我们可以在产生二次谐波的同时最大化强度。

就像在吉他弦上演奏的二次谐波一样,这意味着将光波频率加倍。光子计算机系统中的信息可以用一个波的频率或一秒钟内振荡的次数进行编码。能够与另一个波浪操纵质量,使计算机逻辑的基础。

Agarwal说:“我们想表明我们可以将光的两个频率相加,所以我们简化了实验。通过采取一个频率,并将其添加到自己,你最终得到双倍的频率。最终,我们希望能够将光调到任何频率 这可以通过改变纳米线和壳的大小来完成“。然而,最重要的是,这种频率混合在纳米尺度上是可能的,且具有非常高的效率。研究人员的光腔可以将输出波的强度提高一千倍以上。

Agarwal说:“硫化镉的频率变化效率是材料固有的,但它取决于波通过材料的体积。 “通过添加银壳,我们可以显着减少获得可用信号所需的体积,并将器件尺寸推向纳米级。”

来源:宾夕法尼亚大学