美科學家催生用更低能量就能驅動的光學芯片

　　美國華盛頓大學圣路易斯分校(Washington University in St. Louis)的研究人員，打造出一種可望成為微處理器關鍵元素的新技術，它是使用光而非電來進行資料處理。該研究團隊已經(jīng)開發(fā)了一套光學諧振器(resonator)系統(tǒng)，能增強光線針對某個方向的傳導，并將光線往其他方向的傳導削弱到幾乎看不見;此外該系統(tǒng)也微縮到能放進一顆矽晶片內的程度。

　　上述技術與電氣系統(tǒng)內的簡易二極體原理相同，是使用量子力學的扭轉(twisting)概念，不只讓光線只沿著單一方向傳導，而且看來是裝置所輸出的能量高于輸入的能量。在一個甜甜圈形狀的元件中有兩個微諧振器來回反射光線，其中之一傾向損失能量，另一個則是提升能量;當損失的能量相當于特定波長的增益(gain)，系統(tǒng)就會產生相變化，諧振器作用也會逆轉。

　　根據(jù)華盛頓大學研究人員在新出版4月號《Nature Physics》期刊上發(fā)表的論文：「諧振器之間的時間性關系(temporal relationship)逆轉了，能量損失變成增加、增加變成損失?！惯@樣的結果能打造出比目前電氣線路更細微之光學通道，所需要的能量也更低，而且能采用目前的標準半導體電路設計技術。

　　華盛頓大學的論文主要作者、Yang團隊研究生Bo Peng表示：「目前我們以二氧化矽(silica)來打造新一代光學二極體，這種材料在電信通訊波長中的耗損很小;這種技術概念也可以擴展至采用其他材料制作的諧振器，以實現(xiàn)更佳的CMOS制程相容性?！?/p>

　　用一個比喻來形容，這種元件的運作原理與英國圣保羅大教堂(St. Paul"s Cathedral)的耳語廊(Whispering Gallery)有點類似──當有人在走廊的某一端小聲講話，另外一端的人能清楚聽到，但站在發(fā)聲端附近的反而聽不見。

　　在理論上，這種元件是比較有問題的;它是利用物理學的宇稱概念，也就是一個封閉空間中的能量可能不等于內部實際粒子內能量的實際與潛在能量。(編按：更多關于宇稱概念的解釋請參考原文后半段的解釋，或請教維基百科與Google大神!)

　　該元件反射兩個微諧振器之間的光束，其中之一能量耗損、另一個增加，當某個諧振器的增益等同于另外一個的耗損，系統(tǒng)的宇稱就會被打破;華盛頓大學的論文指出：「此時系統(tǒng)即使在非常弱的輸入電力之下，也會呈現(xiàn)強勁的非線性行為──輸入光線的增益強度會呈現(xiàn)非常陡峭的直線斜率，也就是光線只會由單一個方向傳導?！?/p>

　　此時一個明顯的結果是，發(fā)出自元件的光束強度比輸入該元件的能量更高;打造諧振器的研究人員Kaya Ozdemir 表示：「時間反演對稱(Time reversal symmetry)是一個基礎物理原則，指的是如果光線會沿著單一方向傳導出去，那一定也能從另一端傳導回來;但在新的光學二極體內，這個原則就不成立了。」

　　Ozdemir指出，工程師傳統(tǒng)是以磁光學(magneto-optics)或是高磁場來打破時間反演對稱，但華盛頓大學團隊是透過打破宇稱(宇稱不守恒)所產生的強勁非線性來達成;當輸入功率只有1mW時，能讓單一方向的光線傳輸強度提高十七倍，但沒有從另一端過來的光線傳輸;而如果不使用宇稱概念搭配諧振器的結構，不可能達到這樣的結果。