新型光开关可用于无人驾驶汽车扫描道路所有部分
发布日期：2019/12/24
据外媒报道，美国国家标准暨技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的研究人员与同事合作，研发出一种光开关，能够将光以20亿分之一秒的速度从一个计算机芯片传输至另一个计算机芯片，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行的光开关，因而可集成至低成本的硅芯片上，并能以非常低的信号损耗重新改变光线的方向。
（图片来源：美国国家标准暨技术研究院）
该开关具有创纪录的性能，也是打造利用光线而不是电力处理信息的计算机的重要一步。依靠光线粒子 – 光子在计算机中传输数据有几大优势。首先，光子的速度比电子快，而且不会因为需要加热计算机组件而浪费能量，而管理废热正是提升计算机性能的一大阻碍。数十年来，光纤一直利用光信号在远距离传输信息，不过，光纤会占据太多空间，因而无法用于计算机芯片传输数据。
新型开关结合了纳米大小的金和硅光学元件、电子元件和机械元件，所有此类元件都被密集地封装在一起，能够将光从一个微型通道中导入并导出，改变光速并改变行进方向。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。
该研究报告的合著者，NIST、苏黎世联邦理工学院和马里兰大学的Christian Haffner表示，该设备有无数应用。在无人驾驶汽车中，该开关可以迅速改变一束光的方向，让这束光必须同时继续扫描道路的所有部分，帮助无人驾驶汽车测量其与其他汽车和行人间的距离。该设备还可以在神经网络中，让更强大的光基电路取代电力电路。这些都是人工智能系统，能够在模式识别和风险管理等复杂任务中，模拟人类大脑中神经元做出决策的方式。
该项新技术还几乎不会使用能量来改变光信号的方向，该功能能够帮助实现量子计算。量子计算机会处理存储在特殊制备的亚原子粒子对之间微妙关系中的数据，而此类关系极其脆弱，要求计算机在超低温和低功耗下工作，粒子对受到的干扰越少越好。由于该新型光开关与以前的光开关不同，几乎不需能量，因而能够成为量子计算机的一部分。
Haffner与NIST的Vladimir Aksyuk和Henri Lezec表示，他们的发现将令科学界许多人吃惊，因为该成果与大家长期以来所相信的理论不符。有些研究人员认为，光电机械开关不实用，因为体积庞大，运行速度太慢而且对计算机芯片元件的电压要求过高，难以承受。
该开关利用了光的波动性，当两个相同的光波相遇时，可以叠加，让其中一个光波的波峰对齐或加强另一个光波的波峰，从而创造出一种称为相长干涉（constructive interference）的明亮模式。两个光波如果不完全同步，其中一个光波的波谷就会抵消另一个光波的波峰，产生一种称为相消干涉（destructive interference）的黑暗模式。
研究小组在设计中，让一束光限制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设计成有一个出口匝道（斜坡），让有些光能够进入跑道型腔体中，此类腔体离匝道只有几纳米远，被蚀刻在硅盘上。如果光的波长合适，则可以在离开硅腔体前，绕着跑道旋转多次。
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。有些在硅跑道上传播的光会泄露出来，击中薄膜，导致薄膜表面的电子群发生振荡。此类振荡被称为等体离子（plasmons），是光波和电子波混合体的一种：振荡的电子与入射光波相似，因为它们以相同的频率振动，但它们的波长要短得多。较短的波长让研究人员可以在几纳米的距离范围内操控等体离子，此种距离远短于原始光波的长度，然后再将振荡转化为光，反过来又使光开关非常紧凑。
通过改变硅盘与金膜之间仅有的几纳米的缝隙宽度，研究人员可以将混合光波的相位（即波到达波峰或波谷的时间点）延迟或提前。研究人员利用静电使金膜弯曲，即使缝隙宽度仅发生了微小的变化，也会极大地改变相位。
当两束光在管道型的高速公路上重新结合时，取决于研究人员延迟还是提前了光波的相位，该两束光要么会相长干涉，要么会相消干涉。如果光束相匹配，导致相长干涉，光线就会继续沿着原来的方向，一路顺着管道前进。如果光束相消干涉，通道就会被阻断。相反，该光线必须沿着其他方向移动，而前进方向由放置在被阻断通道附近的其他波导或路径决定。通过此种方式，光可以随意地被转换到任一计算机芯片上。
科学家们曾经认为，等体离子系统会极大地减弱光信号，因为光子会穿透金膜的内部，导致电子吸收大部分光能。
不过，研究人员已经证明该假设是错误的，该设备非常紧凑，而且其设计确保了几乎没有光子会穿透薄膜，而且光信号的损耗只有2.5%，而之前的开关的损耗为60%，使得尽管该开关仍处于原型阶段，但仍可以应用于商业领域。
现在，该团队正在努力缩短硅盘与金膜之间的距离，使该设备尺寸更小，进一步减少信号损耗，让工业对该技术更感兴趣。
来源：盖世汽车 作者：余秋云
