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芯东西（公众号：aichip001）
编译 | 段祎
编辑 | Panken
芯东西3月17日消息，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波导手机。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，彻底改变数据传输波导手机。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：摒弃红外光波导手机，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波导手机。但是太平洋xg111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。
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▲David Marpaung和波导手机他团队的实验室环境（图源：U Today）
“原则上我太平洋在线手机版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，我们使用红光波导手机。”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：“你太平洋在线下载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。”
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▲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”波导手机，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波导手机。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波导手机。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波导手机。” 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、光波结合改进波导手机，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波导手机。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波导手机。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’，声波诞生了波导手机。” 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。
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▲David Marpaung手中的新型光子芯片（图源：U Today）
四、引导光传播的氮化硅和玻璃波导手机，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波导手机。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波导手机。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波导手机。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波导手机。“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！”
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▲非线性纳米光子学小组的教授David Marpaung和波导手机他的团队（图源：U Today）
结语：攻克技术难题波导手机，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、耗能更少波导手机。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，噪音影响更小波导手机。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波导手机。
来源：U Today
