非线性纳米光子学小组的 UT 教授 David Marpaung 和他的团队设计了一种高性能芯片，该芯片使用光波和声波的组合来处理数字信息。这种下一代芯片可以补充基于电流的传统芯片，使信息传输量更大、精度更高。

乍一看，Marpaung 和他团队的实验装置与房间里的许多其他装置相似：黑色窗帘将实验室桌子隔开，桌子上摆满了细光纤、显微镜和看起来很复杂的设备。但是科学家们在这里进行了独特的实验，这可能会改变数字信息的处理方式。这一切都是源自于一个放在显微镜下的微型芯片，尺寸大约是 1.5里面 乘 1 厘米。附近的电脑屏幕全屏显示着芯片。边缘进入表面的微小线条清晰可见，形成类似于赛道的图案。

“原则上我们使用红外激光来测试和进一步开发这种芯片，但为了使光路可见，我们使用红光，”Marpaung 解释道。他打开光源，肉眼看不见的红光冲过细细的光纤，传递到连接的芯片上。Marpaung 指着赛道亮起红色的屏幕：“你看光是如何通过这些细线引导的，这些是特殊的光通道，是我们新芯片设计的基础。”

信息高速公路

集成电路 (IC) 或芯片是现代生活的重要组成部分。它们的低价格允许大规模生产，并彻底改变了电子设备。芯片由许多电子电路组成，这些电路镶嵌在一块平坦的硅片上。它们充当信息传输的高速公路，对于从计算机、手机、汽车和许多家用电器到航天器和卫星的现代技术来说是不可或缺的。随着时间的推移，芯片变得越来越小，而它们的性能却不断提高，从而可以生产出更好更快的电子产品。

IC 技术的下一件大事是所谓的光子芯片。这些 IC 通过光而不是电传输信息，通过光通道或光波导，可以被视为“光的高速公路”。这种基于光的信息传输与传统 IC 相比具有多项优势，并且具有改进当前基于电的 IC 的巨大潜力。

“基于光的 IC 体积更小，可以打包和处理更多信息，同时消耗的能量比传统 IC 少得多，”Marpaung 说。“这些优势对于大型数据中心尤为重要，数据传输的限制和巨大的能源成本正在成为日益严重的问题。” 另一个优势是它们可以顺利集成到现有电子设备中，因为它们的基本运行方式与传统 IC 类似。

新的可能性

然而，改进当前的光子芯片是可能的。科学家们发现，当声波与光波结合时，它们的相互作用可能会导致比光子芯片更好的信息管理和传输。“当你在光子 IC 中引入声波时，它本质上是一种比光波传播速度慢得多的机械波，就会出现一系列全新的信息管理可能性，”Marpaung 说。'声波的较慢速度导致处理信息的准确性和分辨率高得多。它使您可以更轻松地滤除噪音、放大信号和选择您想要保留的信息或数据。这可能会导致信号更清晰，噪音影响更小。

操纵光波

然而，在微型 IC 中产生声波本身就是一个挑战。科学家们设法通过使用两束不同频率的激光束来做到这一点。通过将激光束对准光波导内部，它们会相互影响：在某些点，激光束会相互削弱，而在其他点，它们会相互增强：这一过程称为干涉。

“在激光相互增强的地方，它们会产生一种作用力，就像锤子一样，”Marpaung 解释道。“这种力量短暂地压缩了光通道的材料并产生了某种‘砰’：声波诞生了。” 声波与光一起穿过光波导，压缩周围的光通道材料。这种压缩也会影响和改变光的传播速度。因此，通过调制声音，科学家们还可以操纵穿过芯片的光波，从而处理基于光的信息传输。

巨大的挑战

虽然理论成立，但在实践中存在一些问题。构建包含光波导的芯片是一个巨大的挑战，它也可以很好地引导声波。这是在光和声音之间进行适当交互所必需的。例如，在现代硅光子芯片中，通道对光运行良好，但对声波则不然。其他芯片材料可能表现出相反的情况。因此，科学家们需要建立一个同时适用于光波和声波的光通道。一个非常复杂的任务。他们通过稍微操纵标准光子芯片的设计解决了这个问题。这些标准 IC 中的光波导由两种不同的材料组成，经过优化以引导光：氮化硅实芯，光在其中传播缓慢，周围环绕着玻璃罩，光在其中传播很快。

Marpaung：“最后，光以较低的速度被引导通过并保留在核心内，因为它由于全内反射而在材料界面之间反弹。如果只有一种材料，光就会四处散乱，没有导向。然而，对于声波来说，情况恰恰相反：它们在地核内部传播得更快，导致大量声波从地核外部逃逸。这阻止了光波和声波之间的相互作用，因此在传统的波导设计中光波和声波不能有效地结合。

稳定成熟的设计

Marpaung 教授和他的团队提出了一种出色的标准光波导替代设计，解决了这个问题。他解释说：“我们制作了一种波导，在玻璃罩内包含的不是一个而是两个氮化硅芯。” “当光线穿过这两个核心时，核心之间会有一些光泄漏到玻璃罩中。如果我们也在核心之间创建声波，在引导它的玻璃内部，我们将声波和光波保持在一个体积中，让声音干扰光。

据这位科学家称，该解决方案的优点在于它基于稳定成熟的设计光波导，可以轻松修改以适应更多应用。“这个新设计基本上是原理的证明，”Marpaung 说。“在对我们的基本设计进行修改和缩放之后，将会有很多应用，因为声波可以以高分辨率和高精度过滤和选择信息。例如，它可以用于太空和国防技术、下一代通信技术，还有不要忘记量子计算机。由于有前途的应用，我们的团队通过一项非常有声望的 ERC Consolidator 赠款获得了 250 万欧元的欧盟资金！

来源：世界半导体论坛

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