第一财经周刊：光计算的第一步

8/24/2011，光二极管已经可以集成在芯片上，家用型光子计算机也许已不再遥远。

   自从德州仪器和仙童半导体在1958年分别发明集成电路以来，以硅为基础的电子计算机已经成了计算设备的标准。但是，人们依然对生物计算机、量子计算机和光子计算机等更快更强的计算机类型寄予厚望，而就目前来看，它们当中最有希望的可能是光子计算机。

   光子芯片会是光子计算机的主要信息处理器件，而能够大规模集成化的光子器件则是光子芯片的基础；在这些光子器件中，具有逻辑处理功能的光二极管又是最重要的。在硅基电子计算机中，电子二极管是最常用的开关器件之一，它可以根据电流的方向不同而输出不同的电流，进而表示1或者0。光二极管也应该类似于电子二极管般具有单向传输的特性，使某个方向的入射光可以通过，而反向的光信号则会完全反射。但是因为光的反射性，实现这种单向传输并不容易。

   最近发表在《科学》杂志上的一篇文章改变了这种状况。来自中国南京大学和美国加州理工大学的研究人员设计出了一种包含半导体锗、金属铬的硅制波导，能够实现光线的单向传输。相比而言，传统的光学器件就像是空气一样，“你看得见我，我也就看得见你。”这篇论文的第一作者、现在在加州理工大学从事博士后研究的冯亮说，“但是我要做的东西让你能看见我，但是我看不见你。也就是你那边发出来的信号到达不了我这里。”

   这就是光二极管的作用，大多数时候，这种器件被叫做“光隔离器”。这种器件实际上已经有了超过100年的历史，但是对于芯片级的光路设备来说，还没有合适的解决方案。现在，这项受到中国国家基础研究973项目、国家自然科学基金，以及美国国防部高等计划研究署资助的研究，将会为光子芯片和光通讯领域带来革命性的进展。

   目前我们使用的光隔离器，大部分是基于19世纪发现的法拉第效应而实现的。法拉第效应是指线偏振光会在磁场中旋转偏振方向的现象—线性偏振光早在20世纪早期就已经用于3D电影中，它们只会在某一个方向上振动，就像是我们在抖动一根绳子时所看到的那样。基于法拉第效应的光隔离器一般由两个线偏振器中间加上一个法拉第旋转器构成，当在偏振光的传播方向上添加外加磁场时，偏振光就会旋转过一个角度，这个角度和磁感应强度、器件材料厚度和材料特性有关。现在常用的旋转器往往是用钇铁石榴石晶片加上与光线方向垂直的磁场制成，当光线通过这套隔离器时，沿着透光轴方向的光线能完全通过，而与之垂直的偏振光则完全不能通过。

   法拉第效应的特别之处在于，这种磁光旋转方向是不可逆的—无论光的方向如何，迎着外加磁场的磁感应强度方向观察，偏振光总是顺时针旋转。所以在光隔离器中，两个偏振器的透光轴之间的夹角被设置成45度。当光经过第一个偏振器后，偏振方向会旋转45度，并通过第二个偏振器传出；当反方向的光线传入时，经过旋转器再旋转45度，光线的偏振方向将和第一个偏振器的透光轴方向垂直，也就完全无法通过。现在这种光隔离器已经广泛使用于光通讯，例如作为光纤放大器的部件等等，已经相当成熟。

   另一种方案是使用非线性材料，它能改变光的频率，从而让两侧射入的光线不会混在一起。但是，这两种方案都无法在芯片中实现。现在我们谈到的“芯片”，是指以硅为基本材料、以刻蚀、扩散、注入等工艺制造的大规模集成电路，其中器件的尺寸只能以纳米为单位来计量。硅材料不具有磁光效应，而且非线性效应也不大，所以传统的光隔离器技术无法小型化到现在电子计算机的芯片程度。

   而现在这种新型光隔离器的设计则是以微观世界的对称缺破为基础的。在经典物理学中，对称性规律占据着核心地位，我们之所以信任镜子中自己的形象，就是因为宏观宇称对称的存在——镜像总是能完全和我们保持一致。但是，1956年李政道和杨振宁发现的“宇称对称性在弱相互作用中不守恒”现象打破了这一规律，人们开始意识到，在微观世界，粒子并非和镜子里的自己一模一样。不仅如此，就连镜像中的时间，也不一定以和真实世界中相同的速度流逝。

   冯亮在硕士期间就读的南京大学微结构国家重点实验室，曾经在声子二极管研究的基础上提出了波矢模式跃迁机制；而现在利用微结构设计实现时间反演和空间宇称破缺的光路，则是这种原理的一个延伸。这两种对称性缺破证明了产生非对易现象的可能性，而研究人员利用蒸镀技术，在硅波导中制作出正弦波形的锗和铬突起，则实现了完全单向的波矢跃迁和模式转换。光线以对称模式从左边入射时，会一直保持对称模式从右边射出；而从右边入射时则会发生模式转换，产生非对称模式。因为不同模式的光无法相互作用，因此这两束光就被隔离开，不会造成光路错误。

   现在，这个研究团队已经制造出了一种新的光学波导—一个800纳米宽、能输送光的长硅条，并且计算出了不同宽度硅波导所需的锗和铬突起的高度。想要把这种装置变得适合光子芯片使用，并非什么难事。

   光子芯片中会包含许多器件，例如光源、光调制器、光放大器、光学微腔、光晶体管等等，目前大多数器件都已经实现了芯片化。现在这种新型光隔离器又将光子芯片的开发推进了一大步。也许只需要10年时间，家用计算机处理器中流动的就将不再是缓慢的电子，而是光速行进的光。