由于電子開關(guān)的局限性，傳統(tǒng)的計算機(jī)處理器幾乎已經(jīng)達(dá)到了它們的“時鐘速度”（衡量它們可以打開和關(guān)閉的速度的指標(biāo)）。希望改進(jìn)計算機(jī)處理器的科學(xué)家已經(jīng)對全光開關(guān)的潛力產(chǎn)生了興趣，全光開關(guān)使用光而不是電來控制數(shù)據(jù)在芯片上的處理和存儲方式。

美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室和普渡大學(xué)的研究人員最近創(chuàng)造了一種新型的全光開關(guān)，可以實現(xiàn)這一潛力。

可調(diào)開關(guān)動態(tài)的基本原理

該研究成果以“用快速和慢速材料工程全光開關(guān)的時間動力學(xué)”為標(biāo)題發(fā)表在《自然通訊》上。

Argonne的Soham Saha說：“以前的光開關(guān)迭代具有固定的開關(guān)時間，這些時間在制造時被'烘焙'到設(shè)備中”。他是該實驗室的Maria Goeppert Mayer博士后研究員之一，他在Argonne納米材料中心工作，這是DOE科學(xué)辦公室的科研設(shè)施。

Saha和他的同事們用兩種不同的材料制作了一種光學(xué)開關(guān)，每種材料都有不同的開關(guān)時間。一種材料，鋁摻雜氧化鋅，在皮秒范圍內(nèi)的開關(guān)時間，而另一種材料，等離子體氮化鈦，在納秒范圍內(nèi)的開關(guān)時間慢一百多倍。

Saha說：“當(dāng)你使用光學(xué)元件而不是電子電路時，沒有電阻電容延遲，這意味著，從理論上講，你可以比傳統(tǒng)的計算機(jī)芯片快一千倍地運行這些芯片”。

Saha表示，兩個金屬部件之間的切換時間差異意味著開關(guān)可以更加靈活，在有效存儲數(shù)據(jù)的同時快速傳輸數(shù)據(jù)。他說：“開關(guān)的雙金屬性質(zhì)意味著它可以用于多種用途，具體取決于您使用的光的波長。當(dāng)您想要較慢的應(yīng)用程序（例如內(nèi)存存儲）時，您可以使用一種材料進(jìn)行切換;對于更快的應(yīng)用程序，您可以使用另一個進(jìn)行切換。這種能力是新的。”

在實驗配置中，開關(guān)的材料用作光吸收器或反射器，具體取決于工作波長。當(dāng)它們被光束打開時，它們會切換狀態(tài)。

控制全光開關(guān)的速度對于優(yōu)化其在各種應(yīng)用中的性能至關(guān)重要。這些發(fā)現(xiàn)為在增強型光纖通信、光計算和超快科學(xué)等領(lǐng)域開發(fā)高度適應(yīng)性和高效開關(guān)提供了希望。

調(diào)整開關(guān)速度的能力也使我們更接近于彌合光學(xué)和電子通信之間的差距，從而實現(xiàn)更快、更高效的數(shù)據(jù)傳輸。

這項研究為全光開關(guān)的基本理解提供了寶貴的見解，并為計算和通信先進(jìn)設(shè)備的設(shè)計鋪平了道路。

審核編輯：湯梓紅