新型光學(xué)諧振器系統(tǒng)

美國(guó)華盛頓大學(xué)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(guān)鍵元素的新技術(shù)，它是使用光而非電來(lái)進(jìn)行資料處理。該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一套光學(xué)諧振器(resonator)系統(tǒng)，能增強(qiáng)光線針對(duì)某個(gè)方向的傳導(dǎo)，并將光線往其他方向的傳導(dǎo)削弱到幾乎看不見(jiàn);此外該系統(tǒng)也微縮到能放進(jìn)一顆矽晶片內(nèi)的程度。

上述技術(shù)與電氣系統(tǒng)內(nèi)的簡(jiǎn)易二極體原理相同，是使用量子力學(xué)的扭轉(zhuǎn)(twisting)概念，不只讓光線只沿著單一方向傳導(dǎo)，而且裝置所輸出的能量高于輸入的能量。在一個(gè)甜甜圈形狀的元件中有兩個(gè)微諧振器來(lái)回反射光線，其中之一傾向損失能量，另一個(gè)則是提升能量;當(dāng)損失的能量相當(dāng)于特定波長(zhǎng)的增益(gain)，系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生相變化，諧振器作用也會(huì)逆轉(zhuǎn)。

根據(jù)華盛頓大學(xué)研究人員發(fā)表的論文顯示，諧振器之間的時(shí)間性關(guān)系(temporal relationship)逆轉(zhuǎn)了，能量損失變成增加、增加變成損失。這樣的結(jié)果能打造出比目前電氣線路更細(xì)微的光學(xué)通道，所需要的能量也更低，而且能采用目前的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體電路設(shè)計(jì)技術(shù)。

在傳統(tǒng)光學(xué)二極體中，從某個(gè)方向輸入的光線會(huì)被傳導(dǎo)出去，而從另一個(gè)方向輸入的光線則會(huì)被攔截;華盛頓大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)的新一代光學(xué)二極體，則是利用宇稱(parity time symmetric)性微諧振器所制作，當(dāng)某個(gè)諧振器的能量損失，能由另一個(gè)諧振器的能量增益來(lái)平衡。

“我們相信這個(gè)發(fā)現(xiàn)將有益于電子學(xué)、聲學(xué)、等離子體光學(xué)(plasmonics)以及超材料(metamaterials)等領(lǐng)域?！必?fù)責(zé)監(jiān)管此研究的華盛頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)室總監(jiān)Lan Yang表示:“以宇稱性(parity time symmetry，PT symmetry)方式來(lái)耦合所謂的損、益元件，能催生像是隱形裝置、消耗更少電力的更強(qiáng)雷射，甚至是能“看”到單一顆原子的探測(cè)器等先進(jìn)技術(shù)。”

華盛頓大學(xué)的論文主要作者、Yang團(tuán)隊(duì)研究生Bo Peng表示:“目前我們以二氧化硅(silica)來(lái)打造新一代光學(xué)二極體，這種材料在電信通訊波長(zhǎng)中的耗損很小;這種技術(shù)概念也可以擴(kuò)展至采用其他材料制作的諧振器，以實(shí)現(xiàn)更佳的CMOS制程相容性?！?/p>

用一個(gè)比喻來(lái)形容，這種元件的運(yùn)作原理與英國(guó)圣保羅大教堂(St.Paul's Cathedral)的耳語(yǔ)廊(Whispering Gallery)有點(diǎn)類似。當(dāng)有人在走廊的某一端小聲講話，另外一端的人能清楚聽(tīng)到，但站在發(fā)聲端附近的反而聽(tīng)不見(jiàn)。

在理論上，這種元件是有問(wèn)題的，它是利用物理學(xué)的宇稱概念，也就是一個(gè)封閉空間中的能量可能不等于內(nèi)部實(shí)際粒子內(nèi)能量的實(shí)際與潛在能量。

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

此時(shí)一個(gè)明顯的結(jié)果是，發(fā)出自元件的光束強(qiáng)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(shí)間反演對(duì)稱(Time reversal symmetry)是一個(gè)基礎(chǔ)物理原則，指的是如果光線會(huì)沿著單一方向傳導(dǎo)出去，那一定也能從另一端傳導(dǎo)回來(lái);但在新的光學(xué)二極體內(nèi)，這個(gè)原則就不成立了?！?/p>

Ozdemir指出，工程師傳統(tǒng)是以磁光學(xué)(magneto-optics)或是高磁場(chǎng)來(lái)打破時(shí)間反演對(duì)稱，但華盛頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)是通過(guò)打破宇稱(宇稱不守恒)所產(chǎn)生的強(qiáng)勁非線性來(lái)實(shí)現(xiàn);當(dāng)輸入功率只有1 mW時(shí)，能讓單一方向的光線傳輸強(qiáng)度提高17倍，但沒(méi)有從另一端過(guò)來(lái)的光線傳輸;而如果不使用宇稱概念搭配諧振器的結(jié)構(gòu)，不可能達(dá)到這樣的結(jié)果。