科学家研光开关可集成于硅芯片 用于无人驾驶汽车扫描道路所有部分

据外媒报道，美国国家标准与技术研究所

美国国家技术研究院（NIST）的研究人员与同事合作开发了一种光学开关，该开关可以以20亿分之一秒的速度将光从一个计算机芯片传输到另一个芯片，比任何其他类似设备都快。这种紧凑型开关是第一个可以在足够低的电压下工作的光学开关，因此可以集成到低成本的硅芯片中，并能够以非常低的信号损耗重定向光。

这种开关具有破纪录的性能，是制造一台利用光而不是电来处理信息的计算机的重要一步。依靠轻粒子-

光子在计算机中传输数据有几个优点。首先，光子比电子快，不会通过加热计算机组件来浪费能量，而管理废热是提高计算机性能的主要障碍。几十年来，光纤一直在使用光信号远距离传输信息，但它们占用了太多空间，无法用于计算机芯片上的数据传输。

这种新型开关结合了纳米级的金和硅光学元件、电子元件和机械元件，所有这些元件都紧密封装在一起，能够从微通道输入和输出光，改变光速和行进方向。一纳米是一米的十亿分之一，大约是人类头发宽度的千分之一。

本研究报告的合著者，来自NIST、苏黎世联邦理工学院和马里兰大学的Christian

哈夫纳表示，该设备有无数的应用。在自动驾驶汽车中，这个开关可以快速改变光束的方向，使其能够继续同时扫描道路的所有部分，帮助自动驾驶汽车测量与其他汽车和行人的距离。该设备还可以在神经网络中用更强大的基于光学的电路取代功率电路。这些都是人工智能系统，可以模拟人脑神经元在模式识别和风险管理等复杂任务中做出决策的方式。

这项新技术也几乎不使用能量来改变光信号的方向，这有助于实现量子计算。量子计算机将处理存储在特别准备的亚原子粒子对之间微妙关系中的数据，这种关系极其脆弱。计算机需要在超低温和低功耗下工作。粒子对受到的干扰越小越好。由于新的光开关与以前的光开关不同，它几乎不需要能量，因此可以成为量子计算机的一部分。

来自NIST的Haffner、Vladimir Aksuk和Henri

Lezec表示，他们的发现将让科学界的许多人感到惊讶，因为这与长期以来人们认为的理论不一致。一些研究人员认为，光电子机械开关不实用，因为它们体积大、操作速度慢，并且对计算机芯片组件的电压要求高，难以承受。

这个开关利用光线的波动。当两个相同的光波相遇时，它们可以堆叠在一起，以对齐或加强一个光波的峰值，从而产生一种称为相长干涉的干涉

明亮的干涉模式。如果两个光波不完全同步，一个光波的波谷将抵消另一个光波峰值，从而产生一种称为相消干涉的相消干涉

暗干涉模式。

在设计中，研究团队将光束限制在一条微型高速公路上，这是一种称为波导的管状通道。这种类型的直线公路设计有一个出口匝道，允许一些光线进入跑道形状的空腔，该空腔距离匝道只有几纳米，并蚀刻在硅盘上。如果光的波长合适，它可以在离开硅腔之前绕跑道旋转多次。

开关还有一个重要部件：一层金膜悬挂在硅盘上方几十纳米处。在硅跑道上传播的一些光会泄漏出来并撞击薄膜，导致薄膜表面的电子团振荡。这种类型的振荡被称为等身离子，是光波和电子波的混合物：振荡电子与入射光波相似，因为它们以相同的频率振动，但波长要短得多。更短的波长使研究人员能够操纵……

体积离子在几纳米的距离范围内，比原始光波的长度短得多，然后将振荡转换为光，这反过来又使光学开关非常紧凑。

通过改变硅盘和金膜之间只有几纳米的间隙宽度，研究人员可以延迟或提前混合光波的相位。研究人员利用静电使金膜弯曲，即使间隙宽度变化很小，这也会极大地改变相位。

当两束光束在类似管道的高速公路上重新组合时，取决于研究人员是延迟还是提前光波的相位，两束光束要么相互干扰，要么抵消干扰。如果光束匹配，导致相位长度干涉，则光线将继续沿原始方向移动，一直沿着管道移动。如果波束取消并发生干扰，信道将被阻塞。相反，光必须在其他方向上移动，向前的方向由放置在阻塞通道附近的其他波导或路径决定。通过这种方式，光可以自由地转换到任何计算机芯片上。

科学家曾经认为，等离子系统会大大削弱光信号，因为光子会穿透金膜的内部，导致电子吸收大部分光能。

然而，研究人员已经证明这一假设是不正确的。该设备非常紧凑，其设计确保了几乎没有光子穿透薄膜，光信号的损耗仅为2.5%，而之前的开关损耗为60%，这使得它有可能在商业领域应用，尽管它仍处于原型阶段。

现在，该团队正在努力缩短硅盘和金膜之间的距离，使设备尺寸更小，进一步降低信号损耗，并使业界对这项技术更感兴趣。

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