适用于未来汽车和量子计算机的超快速光电开关

时间:2019-11-28 05:03 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

  

适用于未来汽车和量子计算机的超快速光电开关

 

  包含光电开关的光网络:根据电压,开关将光束偏转90度(左前)或使其通过波导(右前)。

  在许多技术应用中,快速切换光束很重要。ETH的研究人员现在已经开发了一种用于光束的“光电”开关,该开关比现有模型要小得多且速度更快。这与自动驾驶汽车和光学量子技术等应用有关。

  近年来,自动驾驶汽车变得越来越好,越来越可靠。但是,在不久的将来允许它们在我们的道路上完全自主行驶之前,必须克服一些障碍。最重要的是,需要以闪电般的速度评估周围环境并识别人员和障碍物,这将当前的技术发挥到了极限。苏黎世联邦理工学院电磁场研究所的约格·洛特霍尔德(JürgLeuthold)领导的一组科学家,以及美国国家标准与技术研究所(NIST)和哥德堡(瑞典)的查默斯大学的同事们,现已开发出了一部新颖的小说。光电开关将来可能能够很好地解决这两个问题。

  等离子作为魔术成分

  为了实现这一目标,研究人员使用了一种被称为“等离子体”的神奇成分。在这项技术中,光波被压缩成比光波长小得多的结构-根据光学定律,这应该是不可能的。做。但是,可以通过沿着金属和电介质之间的边界引导光来实现这一目标,电介质几乎不导电,例如空气或玻璃。

  光的电磁波部分穿透金属,并导致金属内部的振荡,这导致了由光波和电子激发(等离子体激元)组成的混合生物。十多年前,一些知名的物理学家已经预测到,基于等离激元的光开关可能会引发数据传输和数据处理的革命,因为光子可以比传统电子学更快地完成它们。

  然而,到目前为止,由于在通过等离激元器件传输光子时遇到的巨大损失以及所需的高开关电压,使得现实生活中的商业应用失败了。

  发挥等离子技术的优势

  博士后克里斯蒂安·哈夫纳(Christian Haffner)说:“我们现在已经通过利用等离激元的良好特性解决了这些问题,同时又将不良问题降到了最低。” Haffner和他的同事开发的光电开关的主要特征是金膜,该金膜只有40纳米厚,几微米宽,并通过氧化铝盘与硅基板隔开。

  在这种构造中,可以通过机械力来控制金膜与基板之间的间隙的大小。施加电压时,膜会略微弯曲,结果,间隙会变小。

  间隙的大小反过来决定了光波是仅通过金膜还是绕过金膜。这就是等离激元进入的地方。实际上,对于间隙的某个宽度,只有特定波长的等离激元可以在金膜上被激发。如果光具有不同的波长,则它不会耦合到膜上,而只会在硅波导内部以直线传播。

  损耗小,开关电压小

  Haffner解释说:``由于仅将等离激元用于开关膜周围的短行程,因此损耗要比当前的电光开关低得多。'' “此外,我们使金膜非常小且薄,因此我们可以在很小的电压下非常快速地切换它。”

  科学家们已经证明,他们的新开关可以在每秒不超过一伏的电压下轻拂几百万次。这使得通常用于电光开关的笨重且耗电的放大器变得多余。未来,科学家计划通过进一步缩小金和硅之间的距离来进一步改善其转换。这将有可能显着降低光损耗和开关电压。

  从汽车到量子技术的应用

  新交换机的可能应用很多。例如,用于自动驾驶汽车的LIDAR系统(“光检测和测距”)需要非常快速地改变光束的传播强度和方向,而得益于快速紧凑的开关。

  此外,通过这种开关也可以加速转向汽车所需的模式识别。为此,这些开关可用于模仿人脑的光学神经网络。在那里,它们将被用作加权元素,网络可以通过它们“学习”以识别特定对象,实际上是以光速进行的。

  通常在电流下工作的电路的这种光学实现在其他领域也是热门话题。光学量子电路也得到了深入研究,例如,量子技术的实现(这是在ETH最近开设的新的“量子工程”硕士学位课程中教授的)。到目前为止,经典的光开关都支持光量子电路。这些开关通常基于材料在被加热时的折射率变化,该变化会改变材料弯曲光束的程度。

  但是,这是一个缓慢的过程,从长远来看,它与其他量子元素(例如量子计算机的量子位或“量子位”)相对应的低温(对应于代表“ 0”和“ 1”)通常可以正常工作。因此,几乎完全不发热的快速开关也应成为此类应用的一个受欢迎的补充。

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