编译 | 芯东西 段祎

编辑 | Panken

据荷兰特温特大学（UT）独立新闻媒体U Today 3月14日报道，该校非线性纳米光子学小组的教授David Marpaung和他的团队设计了一种高性能新型光子芯片。该芯片可以用光波和声波的组合来处理数字信息，这种下一代芯片相较与基于电流的传统芯片，体积更小、信息传输量更大、精度更高、能耗更少。

新型光子芯片可能将带来新一轮技术革新，彻底改变数据传输。它可以用于太空和国防技术、下一代通信技术，还有量子计算机。因新型光子芯片具有巨大的研究前景，该研究项目获得了250万欧元的欧盟资金。

一、新型芯片设计基础：摒弃红外光，使用红光让光路可见

乍一看，David Marpaung和他的团队的实验装置与房间里的许多其他装置相似：黑色窗帘将实验室桌子隔开，桌子上摆满了细光纤、显微镜和看起来很复杂的设备。但是科学家们在这里进行了独特的实验，这可能会改变数字信息的处理方式。这一切与一个放在显微镜下的微型芯片有关，这枚芯片的尺寸大约为1.5cm*1cm。附近的电脑屏幕全屏显示着芯片。芯片边缘进入表面的微小线条清晰可见，形成类似于赛道的图案。

“原则上我们使用红外激光来测试和进一步开发这种芯片，但为了使光路可见，我们使用红光。”Marpaung解释道。他打开光源，肉眼看不见的红光冲过细细的光纤，传递到连接的芯片上。Marpaung指着赛道（线条）亮起的红色的屏幕：“你看光是如何通过这些细线引导的，这些是特殊的光通道，是我们新芯片设计的基础。”

实验室电脑屏幕上显示的通路（图源：U Today）

二、打通“光的高速公路”，小体积优势让海量数据顺利集成

芯片是现代生活的重要组成部分。芯片的低成本使得其可以大规模生产，并彻底改变了电子设备。芯片由许多电子电路组成，这些电路充当信息传输的高速公路，被镶嵌在一块平坦的硅片上。从计算机、手机、汽车和许多家用电器到航天器和卫星的现代技术，一切都离不开它。随着时间的推移，芯片的尺寸变得越来越小，而它们的性能却不断提高，从而可以生产出更好更快的电子产品。

芯片技术的下一件大事是所谓的光子芯片。这些芯片通过光而不是电传输信息，光通道或光波导被视为“光的高速公路”。这种基于光的信息传输与传统芯片相比具有多项优势，且具有改进当前基于电传输的芯片的巨大潜力。

“基于光的芯片体积更小，可以打包和处理更多信息，同时消耗的能量比传统芯片少得多，”Marpaung说，“这些优势对于大型数据中心尤为重要，数据传输的限制和巨大的能源成本正成为日益严重的问题。” 另一个优势是它们可以顺利集成到现有电子设备中，因为它们的基本运行方式与传统芯片类似。

三、挑战声、光波结合改进，探索信息管理新的可能性

然而，改进当前的光子芯片是有可能的。科学家们发现，当声波与光波结合时，它们的相互作用可能会促成比光子芯片更好的信息管理和传输。“当你在光子芯片中引入声波时，声波本质上是一种比光波传播速度慢得多的机械波，就会出现一系列全新的信息管理可能性，”Marpaung说，“声波较慢的传播速度使得处理信息的准确性和分辨率高得多。它使您可以更轻松地滤除噪音、放大信号和选择您想要保留的信息或数据。这可能会使信号更清晰、噪音影响更小。”

在微型芯片中引入声波本身就是一个挑战。科学家们设法通过使用两束不同频率的激光束来做到这一点。通过将激光束对准光波导内部，它们会相互影响，在某些点，激光束会相互削弱，而在其他点，它们会相互增强，这一过程称为光的干涉。

“在激光相互增强的地方，它们会产生一种作用力，就像锤子一样，”Marpaung解释道，“这种力量短暂地压缩了光通道的材料并产生了某种‘砰’，声波诞生了。” 声波与光一起穿过光波导，压缩周围的光通道材料。这种压缩也会影响和改变光的传播速度。因此，通过调制声音，科学家们还可以操纵穿过芯片的光波，从而处理基于光的信息传输。

四、引导光传播的氮化硅和玻璃，光通道材料两大功臣

虽然理论成立，但在实践中仍存在一些问题。构建可以很好地引导声波的包含光波导的芯片是一个巨大的挑战，但这是在光和声音之间进行适当交互时必面临的问题。例如，在现代硅光子芯片中，通道对光运行良好，但对声波则不然。其他芯片材料可能表现出相反的情况。因此，科学家们需要建立一个同时适用于光波和声波的光通道，这是一个非常复杂的任务。他们通过微妙操纵标准光子芯片的设计解决了这个问题。这些标准芯片中的光波导由两种不同的材料组成，即氮化硅和玻璃，它们经过优化以引导光。在氮化硅核心中，光缓慢传播，周围环绕着玻璃外壳，光线快速传播。

Marpaung说：“最后，光以较低的速度被引导通过并保留在核心内，因为它由于全内反射而在材料界面之间反弹。如果只有一种材料，光就会四处散乱，没有导向。然而，对于声波来说，情况恰恰相反，声波在地核内部传播得更快，这导致大量声波从地核外部逃逸，阻止了光波和声波之间的相互作用。因此在传统的波导设计中光波和声波不能有效地结合。 ”

Marpaung教授和他的团队提出了一种出色的标准光波导替代设计，解决了光波和声波不能有效结合的问题。Marpaung教授解释说：“我们制作了一种波导，在玻璃外壳内包含的不是一个而是两个氮化硅核心。” “当光线穿过这两个核心时，核心之间会有一些光泄漏到玻璃外壳中。如果我们也在核心之间创建声波，引导它进入玻璃外壳内部，就能将声波和光波保持在一个空间中，让声音干扰光。

Marpaung教授称，该解决方案的优点在于，基于稳定成熟的设计光波导可以轻松修改以适应更多应用。“这个新设计基本上是原理的证明，”Marpaung还说，“在对我们的基本设计进行修改和缩放之后，将会有很多应用出现，因为声波可以以高分辨率和高精度过滤和选择信息。例如，它可以用于太空和国防技术、下一代通信技术，还有量子计算机。因为这些有前景的应用，我们的团队通过一项非常有声望的ERC Consolidator，获得了250万欧元的欧盟资金！”

结语：攻克技术难题，新型光子芯片未来可期

与传统的电传输的芯片相比，新一代光子芯片有三大优势：体积更小、打包处理信息更多、耗能更少。这种基于光通道的芯片潜力巨大，同时，在研制过程中遇到的难题也会更多。

科学家将声波和光波结合，做出进一步改进，通过声、光波的相互作用促成比光子芯片更好的信息管理和传输，使信号更清晰，噪音影响更小。与此同时，氮化硅和玻璃材料在光通道中对光传播时的引导也极为重要，为声、光波结合做出了进一步的贡献。

总之，新一代光子芯片未来可期，我们将共同期待它带来的新一轮技术革命。

来源：U Today