光子光学

导读

近日，美国宾夕法尼亚大学教授 Ritesh Agarwal 的研究小组在光子计算领域取得新的科研进展，研究人员过特制的电场精准地控制光信号的混合，得到的输出具有几乎完美的对比度和极大的开关电流比，这些特性对于创造光学晶体管来说非常关键。

背景

现有的电子计算机是通过电流来传递和处理信息，通过晶体管操控电信号，进行二进制信息“0”和“1”的比特运算。然而，光子计算机中作为一种完全不同于电子计算机的新型计算机，它采用光子作为传递信息的载体，光互连代替导线互连，以光硬件代替电子硬件，以光运算代替电运算，利用光线来传送信号，并由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路，从而进行数据运算、传输和存储。

对于高度复杂的计算任务，光子计算机可以进行快速并行处理，因此理论上说，其运算速度较电子计算机具有显著优势。作为一个非常有前途的前沿科技领域，光子计算机已经受到了科学界广泛关注。

创新

近日，美国宾夕法尼亚大学应用科学和工程学院的教授 Ritesh Agarwal 在光子计算领域取得新的科研进展，旨在通过光线作为媒介实现更加高速的计算机。Agarwal 的光子计算研究，一直专注于通过类似于电子计算机组件的方式，寻找可以放大和混合光波材料的正确组合和物理配置。

在发表于《自然通信》（Nature Communications）杂志中的一篇论文中，他和他的同事们迈出了重要一步：通过特制的电场精准地控制光信号的混合，得到的输出具有几乎完美的对比度和极大的开关电流比（on/off ratio），这些特性对于创造光学晶体管来说非常关键。

技术

Agarwal 表示：“目前，例如计算‘5+7’，我们需要发送一个电信号代表‘5’，再发送一个电信号代表‘7’，晶体管进行混合制造出一个代表‘12’的电信号。通过光线这么做存在一个障碍，就是能够混合光信号的材料往往也具有非常强烈的背景信号。这种背景信号将显著降低对比度和开关电流比，从而导致是输出错误。”

背景信号的存在会影响预期的输出。光学晶体管必要的计算特性，例如：开关电流比、调制强度以及信号混合比，一直都非常差。然而，电气晶体管却在这些特性方面都具有较高的标准，从而可以预防错误。

按照这些特性要求，寻找出可在光学晶体管中使用的材料，是一件复杂工作。只有“非线性”材料才能进行这种光学信号混合。

为了解决这个问题，Agarwal 的研究小组的研究开始于寻找没有背景信号的系统：由硫化镉组成的纳米“带”。然后，Agarwal 和他的同事们通过纳米带施加电场，为系统引入光学非线性特征，使得这种系统能够进行信号混合输出，否则这个输出将是零。

（图片来源：参考资料【2】）

（图片来源：参考资料【2】）

（图片来源：参考资料【2】）

（图片来源：参考资料【2】）

Agarwal 表示：“我们的系统可以从零启动，然后变成极大的值，因此具有完美的对比度，以及极大的调制和开关电流比。”

价值

对于实现光子计算机来说，研究人员已经寻找到了一种关键元件，下面的工作将包括将它们集成到光学互连、调制器、检测器中，从而论证实际的计算。

关键字

晶体管、光学、计算机

参考资料

【1】https://news.upenn.edu/news/penn-engineering-research-gives-optical-switches-contrast-electronic-transistors

【2】Ming-Liang Ren, Jacob S. Berger, Wenjing Liu, Gerui Liu, Ritesh Agarwal. Strong modulation of second-harmonic generation with very large contrast in semiconducting CdS via high-field domain. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-02548-3