美高校通過(guò)非線性材料實(shí)現(xiàn)光波信號(hào)的混合 是光子計(jì)算機(jī)重要一步

  Iccsz訊 美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授Ritesh Agarwal表示，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算速度越來(lái)越快，功能越來(lái)越強(qiáng)大，計(jì)算機(jī)也將變得更加強(qiáng)大。當(dāng)前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用電來(lái)表示信息的比特，即1和0的二進(jìn)制碼。晶體管等電路的組成器件對(duì)這些電信號(hào)進(jìn)行操作，產(chǎn)生隨輸入而變化的輸出結(jié)果。而光子計(jì)算就是要以光為媒介實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的光子計(jì)算機(jī)。

  Agarwal對(duì)光子計(jì)算的研究一直集中于，尋找正確的材料組合和物理配置，以類似于電子計(jì)算機(jī)組件的方式實(shí)現(xiàn)光波的放大和混合。

  光波處理實(shí)現(xiàn)方法

  在《自然通訊》(Nature Communication)雜志發(fā)表的一篇論文中，Agarwal及其同事們采取了一種重要方法實(shí)現(xiàn)光波的放大和混合：通過(guò)定制的電場(chǎng)精確地控制光信號(hào)的混合，并獲得近乎完美的對(duì)比度和極大的開(kāi)/關(guān)比。這些性能是創(chuàng)建工作光學(xué)晶體管的關(guān)鍵。

  “目前，為了計(jì)算'5 + 7'，我們需要發(fā)送'5'的電信號(hào)和'7'的電信號(hào)，晶體管進(jìn)行混頻以產(chǎn)生'12'的電信號(hào)，”Agarwal說(shuō)。“用光做這件事的障礙之一是，能夠混合光信號(hào)的材料也往往具有非常強(qiáng)的背景信號(hào)，背景信號(hào)將大大降低對(duì)比度和開(kāi)/關(guān)比，導(dǎo)致輸出中出現(xiàn)錯(cuò)誤?！?

  由于背景信號(hào)削弱了預(yù)期的輸出，所以光學(xué)晶體管的開(kāi)/關(guān)比、調(diào)制強(qiáng)度和信號(hào)混合對(duì)比度等指標(biāo)都非常差。而電學(xué)晶體管的這些指標(biāo)都很高，能夠防止錯(cuò)誤的發(fā)生。

  尋找滿足光學(xué)晶體管指標(biāo)要求的材料比較困難，當(dāng)前只有“非線性”材料才能夠進(jìn)行這種光信號(hào)混合。

  為了解決這個(gè)問(wèn)題，Agarwal的研究小組首先找到一個(gè)沒(méi)有背景信號(hào)的系統(tǒng)：由硫化鎘制成的納米“帶”。然后，通過(guò)在納米帶上施加電場(chǎng)，能夠?qū)⒐鈱W(xué)非線性引入到系統(tǒng)中，使信號(hào)混合輸出為零。

  Agarwal說(shuō)：“我們的系統(tǒng)打開(kāi)后，輸出能給從零變?yōu)榉浅４蟮闹?，具有完美的?duì)比度，以及大的調(diào)制和開(kāi)/關(guān)比。因此，我們第一次擁有一個(gè)真正類似于電子晶體管的光學(xué)器件?！?

  下一步工作

  光學(xué)器件是光子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵組成部分，光子計(jì)算機(jī)的下一步研究將是光學(xué)器件的光學(xué)互連，以及與調(diào)制器和檢測(cè)器的集成等，逐步實(shí)現(xiàn)實(shí)際的計(jì)算功能。

  參考文獻(xiàn)

  Ming-Liang Ren, Jacob S. Berger, Wenjing Liu, Gerui Liu, Ritesh Agarwal. Strong modulation of second-harmonic generation with very large contrast in semiconducting CdS via high-field domain. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-02548-3