美高校通過非線性材料實現(xiàn)光波信號的混合 是光子計算機重要一步

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

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

  光波處理實現(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現(xiàn)光波的放大和混合：通過定制的電場精確地控制光信號的混合，并獲得近乎完美的對比度和極大的開/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，為了計算'5 + 7'，我們需要發(fā)送'5'的電信號和'7'的電信號，晶體管進(jìn)行混頻以產(chǎn)生'12'的電信號，”Agarwal說?！坝霉庾鲞@件事的障礙之一是，能夠混合光信號的材料也往往具有非常強的背景信號，背景信號將大大降低對比度和開/關(guān)比，導(dǎo)致輸出中出現(xiàn)錯誤?！?

  由于背景信號削弱了預(yù)期的輸出，所以光學(xué)晶體管的開/關(guān)比、調(diào)制強度和信號混合對比度等指標(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)行這種光信號混合。

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

  Agarwal說：“我們的系統(tǒng)打開后，輸出能給從零變?yōu)榉浅４蟮闹担哂型昝赖膶Ρ榷?，以及大的調(diào)制和開/關(guān)比。因此，我們第一次擁有一個真正類似于電子晶體管的光學(xué)器件?！?

  下一步工作

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

  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