轻巧更快，纳米级光子计算机处理器的发展之路

澳大利亚和德国的研究人员构建了用于纳米级光子芯片的模块化桥设计。

光子芯片对于计算机和电信的未来具有巨大的潜力。澳大利亚和德国的物理学家现在已经开发出混合体系结构，以克服该技术面临的一些工程障碍。

随着我们对能源效率和带宽的需求不断提高，光正成为计算机和电信中信息处理的主要工具。

光子已经成为通过光纤进行洲际通信的金标准，光子正在取代电子，成为整个光学网络乃至计算机自身心脏的主要信息载体。

但是，要完成此转换，仍然存在大量工程障碍。支持光的行业标准硅电路比现代电子晶体管大一个数量级。一种解决方案是使用金属波导“压缩”光-但是，这不仅需要新的制造基础设施，而且光与芯片上的金属相互作用的方式意味着光子信息容易丢失。

现在，澳大利亚和德国的科学家已经开发出一种模块化方法来设计纳米级器件，以帮助克服这些问题，将传统芯片设计的最佳特性与光子架构相结合，形成了混合结构。他们的研究最近发表在《自然通讯》上。

从左起：悉尼大学纳米研究所的实验室副教授Stefano Palomba，Alessandro Tuniz博士，Martijn De Sterke教授。

悉尼大学纳米学院和物理学院的主要作者亚历山德罗·图尼兹博士说：“我们在行业标准的硅光子系统和金属波导之间架起了一座桥梁，可以将其缩小100倍，同时保持效率。”

这种混合方法允许对纳米级的光进行操作，以十亿分之一米为单位进行测量。科学家们已经表明，他们可以以比承载信息的光波长小100倍的波长来实现数据处理。

“这种效率和小型化对于将计算机处理转换为基于光线的过程至关重要。它将在量子光学信息系统的开发中非常有用，量子信息系统是未来量子计算机的一个有前途的平台，”悉尼大学副教授，悉尼纳米大学纳米光子学负责人斯特凡诺·帕隆巴副教授说。

“最终，我们希望光子信息将迁移到CPU，这是任何现代计算机的核心。IBM已经制定了这样的愿景。”

使用金属的片上纳米级设备（称为“等离子”设备）具有传统光子设备所不能提供的功能。最值得注意的是，它们有效地将光压缩到十分之几米，从而实现了极大增强的，无干扰的光与物质的相互作用。

悉尼光子与光学科学研究所的Tuniz博士说：“这不仅革新了通用工艺，而且对诸如纳米光谱，原子级传感和纳米级检测器之类的专业科学工艺也非常有用。”

但是，它们的通用功能因对临时设计的依赖而受到阻碍。

Tuniz博士说：“我们已经证明，可以将两个独立的设计结合在一起，以增强以前没有做任何特殊处理的普通芯片。”

这种模块化的方法可以使芯片中的偏振光快速旋转，并且由于这种旋转，可以快速使纳米聚焦降低至波长的约100倍以下。

Martijn de Sterke教授是悉尼大学光子学和光学科学研究所所长。他说：“信息处理的未来可能会涉及使用金属的光子，这些金属将使我们能够将光压缩到纳米级，并将这些设计集成到传统的硅光子学中。”

参考：自然通讯，亚历山德罗·图尼兹（Alessandro Tuniz），奥利弗·比克顿（Oliver Bickerton），费尔南多·J·迪亚兹（ThomasKäsebier），恩斯特·伯恩哈德·克莱（Ernst-Bernhard Kley），斯特凡妮·克罗克，斯特凡诺·帕隆巴（Stefano Palomba）和C.马丁·德·斯特克（C.
10.1038 / s41467-020-16190-z

这项研究得到了悉尼大学奖学金计划的支持，该计划由德国研究基金会（DFG）根据德国卓越战略EXC-2123 / 1进行。这项工作部分在澳大利亚国家制造工厂（ANFF）的新南威尔士州节点进行。