基于能量分配光脉冲的光学开关的艺术插图。图片来源：Y. Wang、N. Thu 和 S. Zhou
加州理工学院的工程师们使用光学而非电子元件开发了一种开关，这种开关是计算的最基本元件之一，这一进展有助于实现超快全光信号处理和计算。因为光学设备相较于电子设备具有更快地信号传输能力，所以选择通过光脉冲而不是电信号传输，这也是为什么现代设备经常使用光学来发送数据的原因，例如，可以想到在互联网上通常使用比传统以太网电缆更快的光纤电缆。光学领域有可能以更快的速度、更少的功率完成更多的工作，从而彻底改变计算。然而，目前基于光学系统存在的一个主要限制是它们在一定程度上仍然需要基于电子的晶体管进行有效地处理数据。
现在，由加州理工学院电气工程和应用物理学专业的助理教授 Alireza Marandi 领导的团队利用光学非线性的知识（稍后会详细介绍）设计了一个全光开关，这种开关最终可以使用光子进行数据处理。7月28 日这项研究成果发表在《Nature Photonics》期刊上。
开关是计算机中最简单的元件之一，信号进入开关之后，根据特定条件，开关要么允许信号通过，要么阻止信号通过。这种开/关特性是逻辑门和二进制计算的基础，也是数字晶体管要实现的设计目标。然而，在这项新的工作之前，用光实现相同的功能已经被证明是非常困难的。晶体管中的电子会强烈影响彼此的流动，从而导致“切换”，然而与电子不同，光子通常不容易相互作用。
两项研究基础使这一突破成为可能：Marandi 团队使用的材料，以及他们使用材料的方式。首先，他们选择了一种被称为铌酸锂的晶体材料，它是铌、锂和氧的混合物，这种材料在自然界中并不存在，但是在过去 50 年中被证明对光学领域的研究至关重要。该材料本质上是非线性的：由于原子在晶体中的特殊排列方式，它产生的输出光信号与输入信号不成比例。虽然铌酸锂晶体已经在光学研究中使用了数十年，但是最近纳米加工技术的进步才使得 Marandi 和他的研究团队能够制造出基于铌酸锂的集成光子器件，该器件的特性可以将光束限制在非常小的空间内。换句话说，空间越小，同等功率下光的强度就越大。因此，携带信息的光脉冲通过这种光学系统可以提供比其他方式更强的非线性响应。
Marandi 和他的研究团队也从时间上对光束进行了限制。从本质上讲，他们减少了光脉冲的持续时间，并且使用了一种特殊的设计，使光脉冲在通过设备传播时保持较短的脉冲持续时间，从而使每个光脉冲具有更高的峰值功率。这两种设计（光的时空限制）的综合效果是极大地增强了给定光脉冲能量的非线性强度，这意味着光子之间的相互影响要强烈得多。
最终的结果是设计了一个非线性分配器，在这个分配器中，光脉冲根据它们的能量被传送到两个不同的输出，这使得开关能够在不到 50 飞秒内响应（飞秒是一千万亿分之一秒）。相比之下，最先进的电子开关需要几十皮秒的响应时间（皮秒是一万亿分之一秒），两者具有三个数量级的差距。这篇论文的题目是“铌酸锂纳米光子学中的飞焦飞秒全光开关”。
消息来源：https://phys.org/news/2022-08-optical-ultrafast-all-optical.html
