非線性納米光子學小組的 UT 教授 David Marpaung 和他的團隊設計了一種高性能芯片，該芯片使用光波和聲波的組合來處理數字信息。這種下一代芯片可以補充基于電流的傳統芯片，使信息傳輸量更大、精度更高。

乍一看，Marpaung 和他團隊的實驗裝置與房間里的許多其他裝置相似：黑色窗簾將實驗室桌子隔開，桌子上擺滿了細光纖、顯微鏡和看起來很復雜的設備。但是科學家們在這里進行了獨特的實驗，這可能會改變數字信息的處理方式。這一切都是源自于一個放在顯微鏡下的微型芯片，尺寸大約是 1.5里面 乘 1 厘米。附近的電腦屏幕全屏顯示著芯片。邊緣進入表面的微小線條清晰可見，形成類似于賽道的圖案。

“原則上我們使用紅外激光來測試和進一步開發這種芯片，但為了使光路可見，我們使用紅光，”Marpaung 解釋道。他打開光源，肉眼看不見的紅光沖過細細的光纖，傳遞到連接的芯片上。Marpaung 指著賽道亮起紅色的屏幕：“你看光是如何通過這些細線引導的，這些是特殊的光通道，是我們新芯片設計的基礎。”

信息高速公路

集成電路 (IC) 或芯片是現代生活的重要組成部分。它們的低價格允許大規模生產，并徹底改變了電子設備。芯片由許多電子電路組成，這些電路鑲嵌在一塊平坦的硅片上。它們充當信息傳輸的高速公路，對于從計算機、手機、汽車和許多家用電器到航天器和衛星的現代技術來說是不可或缺的。隨著時間的推移，芯片變得越來越小，而它們的性能卻不斷提高，從而可以生產出更好更快的電子產品。

IC 技術的下一件大事是所謂的光子芯片。這些 IC 通過光而不是電傳輸信息，通過光通道或光波導，可以被視為“光的高速公路”。這種基于光的信息傳輸與傳統 IC 相比具有多項優勢，并且具有改進當前基于電的 IC 的巨大潛力。

“基于光的 IC 體積更小，可以打包和處理更多信息，同時消耗的能量比傳統 IC 少得多，”Marpaung 說。“這些優勢對于大型數據中心尤為重要，數據傳輸的限制和巨大的能源成本正在成為日益嚴重的問題。” 另一個優勢是它們可以順利集成到現有電子設備中，因為它們的基本運行方式與傳統 IC 類似。

新的可能性

然而，改進當前的光子芯片是可能的。科學家們發現，當聲波與光波結合時，它們的相互作用可能會導致比光子芯片更好的信息管理和傳輸。“當你在光子 IC 中引入聲波時，它本質上是一種比光波傳播速度慢得多的機械波，就會出現一系列全新的信息管理可能性，”Marpaung 說。'聲波的較慢速度導致處理信息的準確性和分辨率高得多。它使您可以更輕松地濾除噪音、放大信號和選擇您想要保留的信息或數據。這可能會導致信號更清晰，噪音影響更小。

操縱光波

然而，在微型 IC 中產生聲波本身就是一個挑戰。科學家們設法通過使用兩束不同頻率的激光束來做到這一點。通過將激光束對準光波導內部，它們會相互影響：在某些點，激光束會相互削弱，而在其他點，它們會相互增強：這一過程稱為干涉。

“在激光相互增強的地方，它們會產生一種作用力，就像錘子一樣，”Marpaung 解釋道。“這種力量短暫地壓縮了光通道的材料并產生了某種‘砰’：聲波誕生了。” 聲波與光一起穿過光波導，壓縮周圍的光通道材料。這種壓縮也會影響和改變光的傳播速度。因此，通過調制聲音，科學家們還可以操縱穿過芯片的光波，從而處理基于光的信息傳輸。

巨大的挑戰

雖然理論成立，但在實踐中存在一些問題。構建包含光波導的芯片是一個巨大的挑戰，它也可以很好地引導聲波。這是在光和聲音之間進行適當交互所必需的。例如，在現代硅光子芯片中，通道對光運行良好，但對聲波則不然。其他芯片材料可能表現出相反的情況。因此，科學家們需要建立一個同時適用于光波和聲波的光通道。一個非常復雜的任務。他們通過稍微操縱標準光子芯片的設計解決了這個問題。這些標準 IC 中的光波導由兩種不同的材料組成，經過優化以引導光：氮化硅實芯，光在其中傳播緩慢，周圍環繞著玻璃罩，光在其中傳播很快。

Marpaung：“最后，光以較低的速度被引導通過并保留在核心內，因為它由于全內反射而在材料界面之間反彈。如果只有一種材料，光就會四處散亂，沒有導向。然而，對于聲波來說，情況恰恰相反：它們在地核內部傳播得更快，導致大量聲波從地核外部逃逸。這阻止了光波和聲波之間的相互作用，因此在傳統的波導設計中光波和聲波不能有效地結合。

穩定成熟的設計

Marpaung 教授和他的團隊提出了一種出色的標準光波導替代設計，解決了這個問題。他解釋說：“我們制作了一種波導，在玻璃罩內包含的不是一個而是兩個氮化硅芯。” “當光線穿過這兩個核心時，核心之間會有一些光泄漏到玻璃罩中。如果我們也在核心之間創建聲波，在引導它的玻璃內部，我們將聲波和光波保持在一個體積中，讓聲音干擾光。

據這位科學家稱，該解決方案的優點在于它基于穩定成熟的設計光波導，可以輕松修改以適應更多應用。“這個新設計基本上是原理的證明，”Marpaung 說。“在對我們的基本設計進行修改和縮放之后，將會有很多應用，因為聲波可以以高分辨率和高精度過濾和選擇信息。例如，它可以用于太空和國防技術、下一代通信技術，還有不要忘記量子計算機。由于有前途的應用，我們的團隊通過一項非常有聲望的 ERC Consolidator 贈款獲得了 250 萬歐元的歐盟資金！

審核編輯 ：李倩