光开关可以改善信号处理

工业PC洞察

• 光学器件使用光脉冲而不是电信号来传输信号，这比电子元件更快。
• 这类发展可以使计算机更快，并利用光子传递信息和数据处理。

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加州理工学院的研究人员已经开发出一种开关——计算中最基本的组件之一——使用光学元件，而不是电子元件。这一进展有助于实现超快全光信号处理和计算。

光学设备通过光脉冲而不是电信号来传输信号，其传输速度远远快于电气设备。这就是为什么现代设备经常使用光学来发送数据;例如，可以提供比传统以太网电缆快得多的互联网速度的光纤电缆。

光学领域有潜力通过以更快的速度和更低的功率做更多的事情来彻底改变计算。然而，目前基于光学的系统的主要限制之一是，在某种程度上，它们仍然需要基于电子的晶体管来有效地处理数据。

现在，利用光学非线性的力量，由加州理工学院电气工程和应用物理学助理教授Alireza Marandi领导的团队创造了一种全光开关。这样的转换最终可能使数据处理使用光子。

开关是计算机中最简单的部件之一。一个信号进入开关，根据某些条件，开关要么允许信号向前移动，要么停止信号。这种开/关特性是逻辑门和二进制计算的基础，也是设计数字晶体管的目的。然而，在这项新工作之前，用光实现同样的功能被证明是困难的。与晶体管中的电子不同，电子可以强烈地影响彼此的流动，从而导致“开关”，光子通常不容易相互作用。

有两件事使这一突破成为可能:马兰迪团队使用的材料和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，这是一种铌、锂和氧的组合，这种物质在自然界中并不存在，但在过去的50年里，已被证明对光学领域至关重要。这种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领域应用了几十年，但最近，纳米制造技术的进步使马兰迪和他的团队能够制造出基于铌酸锂的集成光子器件，允许光在一个微小的空间内被限制。空间越小，同样功率下的光强度越大。因此，光脉冲携带信息通过这样的光学系统可以提供比其他可能的更强的非线性响应。

马兰迪和他的同事还暂时限制了光线。从本质上讲，他们减少了光脉冲的持续时间，并使用了一种特定的设计，使脉冲在通过设备时保持较短，这导致每个脉冲具有更高的峰值功率。

这两种策略的结合效果——光的时空限制——在一定的脉冲能量下极大地增强了非线性的强度，这意味着光子之间的相互影响要强烈得多。

其结果是创建了一个非线性分路器，其中光脉冲根据其能量被路由到两个不同的输出，这使得切换在不到50飞秒(一飞秒是一秒的千万亿分之一)发生。相比之下，最先进的电子开关需要几十皮秒(一皮秒是万亿分之一秒)，相差很多数量级。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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