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光学计算新曙光,改变光线方向的纳米天线
更新日期:2016-12-30 15:58:42
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Dexter Johnson

2016年11月18日 | 21:30 GMT


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图片来源:莫斯科物理技术学院


俄罗斯与美国研究人员开发出了一项新技术,可以通过一种新型的纳米光学天线(optical nanoantenna)改变光线方向。研究人员相信,这种纳米天线将引领电信系统中的光信息处理技术进入一个新时代。

当然,用光子代替电子是光学计算的基础,但真正实现这个转换则困难重重——不仅因为光子既没有质量也没有电荷,更因为它不像电子一样,通过简单地施加电场就能进行控制。为了实现光学计算,光子需要有像电子一样简单的控制机制。波导管(Waveguides)能够实现光线的长距离定向传播。纳米天线工作原理不同,它并不传导光,而是反射光子,将光打向一个特定的方向。具体方向是由纳米天线的材料和几何结构决定的,正如传统天线一样。

但是,新型纳米天线的特别之处在于光子散射方向的可调性。这支由俄罗斯圣彼得堡ITMO大学、莫斯科物理技术学院(MoscowInstitute of Physics and Technology,MIPT)以及美国奥斯汀得克萨斯大学(Universityof Texas in Austin)的研究人员组成的团队表示,即使不改变纳米天线的物理尺寸,也能使入射光的散射方向发生变化。

该国际研究团队在《Laser& PhotonicsReviews期刊上,描述了他们开发出一个极小(尺寸小于200×200 ×500纳米)的硅基纳米天线,能根据入射光波的强度推动光子沿特定方向运动。

“这项新设备将使我们能够改变光传播的方向,并比基于电子的类似设备更加灵敏。” ITMO大学的高级研究员SergeyMakarov在一份新闻稿中说道。

该研究提出的纳米天线由硅纳米颗粒组成,作者以前证明了使用这些纳米粒子控制光散射的可能性。

当硅纳米颗粒受到激光照射时,产生一个电子等离子体(electron plasma)。这个电子等离子体不是我们所熟知的表面等离子体,而仅是一束吸收光后注入半导体导带的(自由)导电子。它们是自由的,意思是它们可以在半导体中自由移动 (直到能量殆尽,降到它们原来的价带)。

“表面等离子体是这些自由电子的特殊振动,这些振动可能只有当自由电子密度相当大时才出现——然而我们的纳米天线中没有那么多的电子。” MIPT 的研究生DenisBaranov在IEEE Spectrum的电子邮件采访中解释道。 “所以,虽然有相同的电子产生等离子体,但它们的密度不足以产生表面等离子体。”

纳米天线旋转散射图案采用了硅等离子体激励机制。从本质上讲,入射光越强烈,图案旋转角度越大,最高可达到20度。

“一旦你为纳米粒子选择了特定的直径和位置,并把它们组装成一根天线,那么光散射的方向就固定了。“Baranov说。“但是当纳米粒子被强大的脉冲辐照后,产生的等离子体会改变纳米粒子的折射率,进而影响整个纳米天线的光学性质。”

特别的是,正是产生的等离子体改变了光散射的方向。“实际上可以认为组成材料的粒子发生了轻微变化:你改变了材料,虽然没有改变几何结构,但却有了一个产生不同散射方向的天线。“Baranov补充道。

这种纳米天线还具有另一个设计特点,其中一个硅纳米粒子是共振的,而另一个是非共振的。这样做是为了增强光线路径改变的效果。

“假设我们有一个由两个相同粒子构成的纳米天线。由于对称性,它不能向侧面散射光线,而总是向前散射。”Baranov解释道。

然而,当一个粒子是共振的,它能产生很强的等离子体,而另一个非共振粒子不能产生。这使纳米天线能够具备所要求的不对称行为。

“如此一来,同样的一根纳米天线能够向侧面还是向前散射光,取决于入射光强度。“Baranov说。“使用弱脉冲不能产生等离子体,由于天线是不对称的,它能向侧面散射光。当用强脉冲时,共振粒子会产生等离子体,天线似乎具备了一种“对称性”,所以它能向前散射光。”

光纤能够以每秒数百Gbit的速率传输数据,而电子计算机处理此类信号的速率则远不及此。本次研究提出的光学天线支持数据的速率高达250 Gbit /s——这个速度可以填补光学数据传输速率和电子数据处理速率之间的鸿沟。



原文链接:http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/nanotechnology/nanoantenna-changes-direction-of-light-and-the-prospects-of-optical-computing

翻译:何成自菁

审稿:林然

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