科学家研发光开关可集成于硅芯片用于无人驾驶轿车扫描路途一切部分

据外媒报导，美国国家标准暨技能研讨院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的研讨人员与搭档协作，研宣布一种光开关，能够将光以20亿分之一秒的速度从一个核算机芯片传输至另一个核算机芯片，比任何其他类似设备都快。该紧凑型开关是首个能够在足够低的电压下运转的光开关，因此可集成至低成本的硅芯片上，并能以十分低的信号损耗从头改动光线的方向。

（图片来自：美国国家标准暨技能研讨院）

该开关具有创纪录的功用，也是打造运用光线而不是电力处理信息的核算机的重要一步。依托光线粒子 – 光子在核算机中传输数据有几大优势。首要，光子的速度比电子快，并且不会由于需求加热核算机组件而糟蹋能量，而办理废热正是提高核算机功用的一大阻止。数十年来，光纤一向运用光信号在远间隔传输信息，不过，光纤会占有太多空间，因此无法用于核算机芯片传输数据。

新式开关结合了纳米巨细的金和硅光学元件、电子元件和机械元件，一切此类元件都被密布地封装在一起，能够将光从一个微型通道中导入并导出，改动光速并改动跋涉方向。一纳米是十亿分之一米，大约是人类头发宽度的十万分之一。

该研讨报告的合著者，NIST、苏黎世联邦理工学院和马里兰大学的Christian Haffner表明，该设备有很多运用。在无人驾驶轿车中，该开关能够敏捷改动一束光的方向，让这束光有必要一起持续扫描路途的一切部分，协助无人驾驶轿车丈量其与其他轿车和行人世的间隔。该设备还能够在神经网络中，让更强壮的光基电路替代电力电路。这些都是人工智能体系，能够在形式识别和危险办理等杂乱使命中，模仿人类大脑中神经元做出决议计划的方法。

该项新技能还简直不会运用能量来改动光信号的方向，该功用能够协助完成量子核算。量子核算时机处理存储在特别制备的亚原子粒子对之间奇妙联系中的数据，而此类联系极端软弱，要求核算机在超低温文低功耗下作业，粒子对遭到的搅扰越少越好。由于该新式光开关与从前的光开关不同，简直不需能量，因此能够成为量子核算机的一部分。

Haffner与NIST的Vladimir Aksyuk和Henri Lezec表明，他们的发现将令科学界许多人吃惊，由于该成果与我们长期以来所信任的理论不符。有些研讨人员以为，光电机械开关不实用，由于体积巨大，运转速度太慢并且对核算机芯片元件的电压要求过高，难以承受。

该开关运用了光的波动性，当两个相同的光波相遇时，能够叠加，让其间一个光波的波峰对齐或加强另一个光波的波峰，然后创造出一种称为相长干与（constructive interference）的亮堂形式。两个光波假如不完全同步，其间一个光波的波谷就会抵消另一个光波的波峰，发作一种称为相消干与（destructive interference）的漆黑形式。

研讨小组在规划中，让一束光约束在微型的高速公路上，即一种称为波导的管状通道。此种直线型高速公路被规划成有一个出口匝道（斜坡），让有些光能够进入跑道型腔体中，此类腔体离匝道只要几纳米远，被蚀刻在硅盘上。假如光的波长适宜，则能够在脱离硅腔体前，绕着跑道旋转屡次。

该开关还有一个重要组件：在硅盘上方几十纳米处还悬挂了一个金膜。有些在硅跑道上传达的光会走漏出来，击中薄膜，导致薄膜外表的电子群发作振动。此类振动被称为等体离子（plasmons），是光波和电子波混合体的一种：振动的电子与入射光波类似，由于它们以相同的频率振动，但它们的波长要短得多。较短的波长让研讨人员能够在几纳米的间隔范围内控制等体离子，此种间隔远短于原始光波的长度，然后再将振动转化为光，反过来又使光开关十分紧凑。

经过改动硅盘与金膜之间仅有的几纳米的缝隙宽度，研讨人员能够将混合光波的相位（即波抵达波峰或波谷的时刻点）推迟或提早。研讨人员运用静电使金膜曲折，即便缝隙宽度仅发作了细小的改动，也会极大地改动相位。

当两束光在管道型的高速公路上从头结合时，取决于研讨人员推迟仍是提早了光波的相位，该两束光要么会相长干与，要么会相消干与。假如光束相匹配，导致相长干与，光线就会持续沿着本来的方向，一路顺着管道行进。假如光束相消干与，通道就会被阻断。相反，该光线有必要沿着其他方向移动，而行进方向由放置在被阻断通道邻近的其他波导或途径决议。经过此种方法，光能够随意地被转化就任一核算机芯片上。

科学家们从前以为，等体离子体系会极大地减弱光信号，由于光子会穿透金膜的内部，导致电子吸收大部分光能。

不过，研讨人员现已证明该假设是过错的，该设备十分紧凑，并且其规划保证了基本上没有光子会穿透薄膜，并且光信号的损耗只要2.5%，而之前的开关的损耗为60%，使得虽然该开关仍处于原型阶段，但仍能够运用于商业范畴。

现在，该团队正在尽力缩短硅盘与金膜之间的间隔，使该设备尺度更小，进一步削减信号损耗，让工业对该技能更感兴趣。