光信息處理技術(shù)新突破：納米天線(xiàn)成為光計算利器

這種納米天線(xiàn)可以對光子散射方向進(jìn)行控制，他們可以在不改變其物理尺寸的條件下，改變入射光的散射方向。

【編者按】本文轉載自DeepTech深科技；編輯：崔超宇

最近，俄羅斯和美國的研究人員(俄羅斯圣彼得堡的物理和技術(shù)莫斯科研究所（MIPT）和得克薩斯州的奧斯汀大學(xué)ITMO)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了通過(guò)納米天線(xiàn)改變光方向的新技術(shù)。研究人員認為，這種納米天線(xiàn)將把光信息處理技術(shù)推向新的高度。

光計算的首要前提是要用光子取代電子，需要一種簡(jiǎn)單的光子的控制手段。相對來(lái)說(shuō)，電子可以簡(jiǎn)單地通過(guò)施加電場(chǎng)來(lái)對其進(jìn)行控制，而光子既不具有質(zhì)量也不具有電荷，要對其進(jìn)行控制不是一件簡(jiǎn)單的事。導波管能夠容納光子并長(cháng)距離地引導它向指定方向移動(dòng)。納米天線(xiàn)的工作原理則不同，它不是引導光，而是按特定方向反射光子。像普通天線(xiàn)一樣，納米天線(xiàn)的方向性由材料和幾何形狀決定。

值得注意的是，這種納米天線(xiàn)可以對光子散射方向進(jìn)行控制。研究人員說(shuō)，他們可以在不改變其物理尺寸的條件下，改變入射光的散射方向。

該國際研究小組在《激光與光子評論》（Laser &Photonics Reviews）發(fā)表文章，指出這個(gè)微小的（小于200*200*500納米）的硅基納米天線(xiàn)對光子的散射方向取決于光的入射波強度。

ITMO大學(xué)高級研究員Sergey Makarov在新聞稿中說(shuō)：“利用這項新技術(shù)，我們可以用更快的速度改變光的傳播方向。”

ITMO研究人員對光子散射做了大量的研究工作，本次提出的納米天線(xiàn)由硅納米顆粒組成。當硅納米顆粒受到激光照射時(shí)，它們會(huì )產(chǎn)生電子等離子體。這種電子等離子體與表面等離子體光子學(xué)領(lǐng)域所熟知的表面等離子體不同，該等離子體僅僅是一束傳導電子，當它吸收光時(shí)會(huì )進(jìn)入到半導體導帶中。它們可以自由地通過(guò)半導體，直到它們失去能量并落入初始價(jià)帶。

在《IEEE Spectrum》的電子郵件采訪(fǎng)中，MIPT研究生Denis Baranov解釋說(shuō)，“表面等離子體激元是這些自由電子的特殊振蕩形式，但是這些振蕩只有在自由電子的密度相當大時(shí)才會(huì )產(chǎn)生，在我們的實(shí)驗情況下沒(méi)有那么多電子。這些電子能產(chǎn)生表面等離子體，只是它們的密度不夠大。”

這種等離子體激發(fā)機制正是納米天線(xiàn)的光子偏轉工作原理。從本質(zhì)上說(shuō)，入射光越強，光子偏轉角度越大，最大的光子偏轉角度是20度。

Baranov說(shuō)：“一旦你確定了硅納米顆粒的粒徑和位置，那么光散射的方向是固定的。但是，當在顆粒內產(chǎn)生等離子體時(shí)（強脈沖照射），其折射率會(huì )發(fā)生變化，并因此改變整個(gè)納米天線(xiàn)的光學(xué)性質(zhì)。”

換而言之，等離子體會(huì )改變散射的方向。Baranov補充道：“人們可以認為這只是稍微改變了粒子的材料——你改變了材料，但保持幾何形狀及尺寸不變，光的散射方向也隨之發(fā)生改變。”

同時(shí)，納米天線(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)在于讓一個(gè)硅納米顆粒發(fā)生諧振。這樣做是為了增強光束路徑的效果。

Baranov解釋說(shuō)：“假設我們有一個(gè)由兩個(gè)相同粒子組成的納米天線(xiàn)。由于對稱(chēng)性，它不能橫向散射光，只能向前散射。”

然而，當一個(gè)粒子發(fā)生共振時(shí)，它會(huì )誘發(fā)等離子體產(chǎn)生，而其他非共振粒子沒(méi)有。這就為天線(xiàn)提供了所需的非對稱(chēng)行為。

“現在你看到，相同的納米天線(xiàn)能夠根據入射強度向側面或向前散射光，”Baranov說(shuō)。“對于弱脈沖，沒(méi)有等離子體產(chǎn)生，由于天線(xiàn)的不對稱(chēng)性，它將光散射到側面。當施加強脈沖時(shí)，諧振粒子內會(huì )產(chǎn)生等離子體，天線(xiàn)因此變成‘對稱(chēng)’的類(lèi)型，進(jìn)而向前散射光子。

這種光學(xué)天線(xiàn)可以支持高達250GB/s的數據傳輸速率，有助于彌補光學(xué)數據傳輸速率和電子數據處理速度之間的鴻溝?，F在，光纖電纜能以每秒數百千兆位的速度傳輸數據，而可惜的是，我們的電子計算機在這種速度下只能處理這些信號的一小部分。

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