一支由莫斯科国立大学(Lomonosov Moscow State University;MSU)和澳洲国立大学(Australian National University)组成的国际研究团队共同打造出一种基于矽奈米结构的超快速的全光子开关,能以超高速度传输资料,可望进一步发展成为未来的电脑平台。

 

大约在三年前,有好几组研究人员不约而同地发现了一个重要的作用:矽奈米粒子在可见光谱范围时存在强共振——即所谓的磁耦共振。这种共振的特性是奈米粒子中的光波在次波长结构上的强定位。虽然这种效应让研究人员十分感兴趣,但根据该研究的第一作者 Maxim Shcherbakov 描述,当时并没有人想到这个新发现能够创造出开发紧密且超快速光子开关的基础。

在进行等离子相位蚀刻后,澳洲国立大学的研究人员采用电子光束微影技术来制造这种奈米粒子。这项程序是由该校实习生 Alexander Shorokhov 完成的。来自莫斯科的 Alexander Shorokhov 由于取得了总统奖学金出国留学,他在回国时也带回了部份的研究样本,让所有的实验工作得以继续在莫斯科国立大学物理学院的奈米光子与超材料实验室进行。

“在实验研究中,我的同事 Polina Vabishchevich 和我一起用一套非线性的光学方法,解决了飞秒(femtosecon,约 10-15 秒)相关的光学问题,”Maxim Shcherbakov 解释,“我们采用像 MSU 开发计划中所用的飞秒雷射复合方法。”

最终,研究人员们开发出一种“元件”——直径约 250nm 的碟片,能够以飞秒速率切换光学脉冲。超快速的切换速度能够为装置实现每秒数十与数百太位元(TB)的资料传输与处理。同时,在这样的速度时下载几千部高画质(HD)影片也只需要不到 1 秒的时间。

莫斯科国立大学研究人员打造的全光子开关作业基础在于 2 次飞秒脉冲之间的互动。由于矽结构的磁共振作用,从而实现了这种互动。如果奈米结构中的脉冲同时发生,由于 2 个光子相互吸收的效应,使其中一个脉冲与另一个脉冲进行互动后并加以抑制。如果在 2 次脉冲之间存在 100fs 的延迟,那么脉冲之间并不会发生互动,第 2 个脉冲将会在不进行任何改变的情况下直接传入奈米结构中。

“我们已能开发出抑制不良自由载子效应的结构了,”Maxim Shcherbakov 表示,“自由载子(电子和电洞)严重地限制了传统整合式光子的讯号转换速度。我们的研究象征着通往创新且有效的主动光子元件(包括电晶体、逻辑元件等)之路迈开了重要的一步。我们的研究中所建置的这项技术特色就在于它可用于矽光子中。不久的将来,我们将进一步在 IC 中测试这种奈米粒子。”

 

直径 250nm 的这款“元件”能以飞秒级的速率迅速切换光脉冲