非线性隔离器“身死” 光学计算机芯片“梦碎”

光可以用来传输数据信息，而且相比于电信号，光信号被认为更适合用来驱动你的电脑和手机。工程师们正在寻求将光纤中数据快速传输的光技术微型化的方法，实现将高速、高效率的光信号传输使用在计算机芯片上。但是斯坦福大学的工程师们近日（6月8日）宣布一个电脑芯片上光学数据单向传输的强理论限制。

斯坦福大学电气工程教授Shanhui Fan和研究生Jerry在《自然光子学》杂志上公布他们的研究结果。在短期内，他们的发现会打击一些做这方面研究的工程师。但是他们的发现也将指导研究人员寻找其他方法来构建“单行道”的计算机“光芯片”。

Shanhui Fan和Jerry研究用的设备被称为非线性隔离器，通过这个器件研究人员希望光束信息仅在正方向传输，同时禁止反方向的传输。这样的设备将简化光数据在电脑芯片上的传输。“但事实却是存在信号的反向传输——“后漏”，这类设备上的这个现象在之前没人发现。”Shanhui Fan说。Shanhui Fan和Jerry是通过研究光学数据传输的数学理论之后得出了上述结论的，并有计算机仿真结果的支撑。

无论是今天的电子束还是明天的光束，工程师需要电脑芯片在一个方向上传输信息。今天的芯片上包含被称为二极管的特殊的器件来保持电子束信息，并保证信息流的流动朝着正确方向，同时阻塞电子束向后流动，从而防止信号混乱。光学计算机芯片，采用光束作为载体，因此也需要一个“光学二极管”，也被称为“光隔离器”。如果没有这样的设备，将会产生混乱的噪音信号。

几十年来，叫做非线性隔离器的光隔离器被认为是可以帮助保持光学信息定向流动并阻止信号光束反向流动的器件。“这是一个自然的方法，并且已经存在了几十年,”Shanhui Fan说。但Shanhui Fan和Jerry的发现指出了非线性光电隔离器的一个强限制。研究人员使用数学和仿真来证明了他们的观点，他们反对非线性光电隔离器的理由也是显而易见的。

在之前的工作中，研究人员使用一个特定的方法来测试非线性光电隔离器芯片能否保持信息流动在正确的方向上。他们会直接在正方向发射一个光束并验证隔离器会让光线通过。然后他们会直接朝隔离器反方向上发射一束光并验证隔离器将阻塞这个光束。这不是标准的在同一时间测试“前向后向”的做法。“有可能有超过100篇的论文使用这种方法，其中我有一些也是我写的,”Shanhui Fan说。

基于这类的测试方法，非线性光电隔离器似乎工作正常，看起来就像他们们可以保持光束在光学计算机芯片朝一个方向流动。但是，当Shanhui Fan和Jerry研究了非线性光电隔离器的数学基础之后，他们发现了一个问题：当前向光束和后向光束同时存在时，后向光束将通过设备泄漏。

“一旦你理解了基本理论，问题就会很明显，“Shanhui Fan说。“它会在你面前跳出来。”Jerry进行了数学证明并用计算机仿真表明非线性光电隔离器实际上是双向通道。“如果“前向”方向的灯亮着，那么光同样可以从相反的方向可以通过。“Shanhui Fan说。这一发现对于为光学芯片设计光电隔离器是很重要的。工程师需要设计、发现新的光电隔离器来保持光学信息在一个方向上流动。

Shanhui Fan和Jerry意识到他们可能是在传递一个不受他们同事欢迎的消息。“因为非线性光电隔离器是一个已经存在了几十年的方向，但现在它并不是那么理想，”Shanhui Fan说。“我们关闭了死胡同，告诉大家说：不要在这条路走下去了。”但是，Shanhui Fan和Jerry仍然希望传播这个消息将引导研究人员找出其他的方法创建单行道光学通信计算机芯片。

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