美科學家催生用更低能量就能驅(qū)動的光學芯片

　　美國華盛頓大學圣路易斯分校(Washington University in St. Louis)的研究人員，打造出一種可望成為微處理器關鍵元素的新技術，它是使用光而非電來進行資料處理。該研究團隊已經(jīng)開發(fā)了一套光學諧振器(resonator)系統(tǒng)，能增強光線針對某個方向的傳導，并將光線往其他方向的傳導削弱到幾乎看不見;此外該系統(tǒng)也微縮到能放進一顆矽晶片內(nèi)的程度。

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

　　根據(jù)華盛頓大學研究人員在新出版4月號《Nature Physics》期刊上發(fā)表的論文：「諧振器之間的時間性關系(temporal relationship)逆轉(zhuǎn)了，能量損失變成增加、增加變成損失?！惯@樣的結(jié)果能打造出比目前電氣線路更細微之光學通道，所需要的能量也更低，而且能采用目前的標準半導體電路設計技術。

　　華盛頓大學的論文主要作者、Yang團隊研究生Bo Peng表示：「目前我們以二氧化矽(silica)來打造新一代光學二極體，這種材料在電信通訊波長中的耗損很小;這種技術概念也可以擴展至采用其他材料制作的諧振器，以實現(xiàn)更佳的CMOS制程相容性。」

　　用一個比喻來形容，這種元件的運作原理與英國圣保羅大教堂(St. Paul"s Cathedral)的耳語廊(Whispering Gallery)有點類似──當有人在走廊的某一端小聲講話，另外一端的人能清楚聽到，但站在發(fā)聲端附近的反而聽不見。

　　在理論上，這種元件是比較有問題的;它是利用物理學的宇稱概念，也就是一個封閉空間中的能量可能不等于內(nèi)部實際粒子內(nèi)能量的實際與潛在能量。(編按：更多關于宇稱概念的解釋請參考原文后半段的解釋，或請教維基百科與Google大神!)

　　該元件反射兩個微諧振器之間的光束，其中之一能量耗損、另一個增加，當某個諧振器的增益等同于另外一個的耗損，系統(tǒng)的宇稱就會被打破;華盛頓大學的論文指出：「此時系統(tǒng)即使在非常弱的輸入電力之下，也會呈現(xiàn)強勁的非線性行為──輸入光線的增益強度會呈現(xiàn)非常陡峭的直線斜率，也就是光線只會由單一個方向傳導。」

　　此時一個明顯的結(jié)果是，發(fā)出自元件的光束強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：「時間反演對稱(Time reversal symmetry)是一個基礎物理原則，指的是如果光線會沿著單一方向傳導出去，那一定也能從另一端傳導回來;但在新的光學二極體內(nèi)，這個原則就不成立了。」

　　Ozdemir指出，工程師傳統(tǒng)是以磁光學(magneto-optics)或是高磁場來打破時間反演對稱，但華盛頓大學團隊是透過打破宇稱(宇稱不守恒)所產(chǎn)生的強勁非線性來達成;當輸入功率只有1mW時，能讓單一方向的光線傳輸強度提高十七倍，但沒有從另一端過來的光線傳輸;而如果不使用宇稱概念搭配諧振器的結(jié)構(gòu)，不可能達到這樣的結(jié)果。