導讀
據美國史丹福大學官網近日報導，該校研究人員創造出一種小到足以集成到消費電子器件中的新型光子二極體。這項研究對於下一代計算、通信甚至能量轉化技術來說至關重要。
背景
未來，更快速、更高效的信息處理可能歸根結底在於光而不是電。
（圖片來源：埃因霍芬理工大學）
現有的電子計算機是通過電流來傳遞和處理信息，通過電晶體操控電信號，進行二進位信息「0」和「1」的比特運算。
（圖片來源：謝菲爾德大學）
作為一種與電子計算機截然不同的新型計算機，光子計算機採用光子作為信息載體，以光互連代替導線互連，以光硬體代替電子硬體，以光運算代替電運算，利用光線來傳送信號，並由光導纖維和各種光學元件等構成集成光路，進行數據運算、傳輸和存儲。
全光學類腦計算晶片示意圖。（圖片來源：Johannes Feldmann）
光子計算機可快速並行處理高度複雜的計算任務。理論上說，其運算速度相對於電子計算機有明顯的優勢。此外，用光取代電之後，運算處理過程中的能耗也相對較低。因此，目前光子計算已成為一個頗具前景的前沿科技領域，備受科學界與產業界關注。
創新
近日，美國史丹福大學材料科學與工程系博士後訪問學者馬克·勞倫斯（Mark Lawrence）通過一個製造光子二極體的方案，離利用光進行信息處理的未來又更近了一步。光子二極體只允許光線向一個方向流動。不同於其他的光基二極體，這種光子二極體小到足以集成到消費電子器件中。
（圖片來源：Getty Images）
相關論文於7月24日發表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上。
技術
研究人員只須設計更微觀的結構，並且破壞基本的物理對稱。
論文高級作者、材料科學與工程系副教授珍妮弗·迪昂（Jennifer Dionne）表示：「在現代電子器件中，二極體隨處可見，從發光二極體（LED）到太陽能電池（本質上與LED的工作方式相反）再到計算和通信所用的集成電路。實現緊湊、高效的光子二極體，對於下一代計算、通信甚至能量轉化技術來說至關重要。」
基於這一點，迪昂與勞倫斯設計了一種新型光子二極體，並通過計算機仿真與計算檢查了他們的設計。他們也創造了必要的納米結構（定製更微觀的結構）並且正在安裝光源，他們希望光源可以將他們的理論系統帶入現實。
光基二極體的主要挑戰在於兩方面。第一，根據熱力學定律，光線向前運動通過一個沒有運動部件的物體的方式，應該與它向後運動通過該物體的方式完全一樣。讓光線向著一個方向運動，需要違反熱力學定律的新材料，打破所謂的「時間反演對稱性」。第二，因為光線中沒有電荷，所以操控光線要比操控電流難得多。
之前，其他研究人員應對這些挑戰的方式是，讓光線通過偏振片（它使得光波向著統一的方向振蕩），然後通過磁場（旋轉偏振光）中的晶體材料。最終，與偏振光匹配的偏振片，引導光線以近乎完美的方式傳播出去。如果光線以相反的方向通過那個設備，則無法從設備中出去。
勞倫斯描述了這個被稱為「法拉第隔離器」的三部分裝置的單向作用，類似於搭乘兩扇門之間的自動人行道，人行道在那裡扮演著磁場的角色。即使你嘗試倒退通過後面那扇門，那麼人行道通常會阻止你，使你到達前面那扇門。
為了製造足夠強大的偏振光旋轉，這些二極體必須相對較大，以至於太大而無法裝進用戶計算機或者智慧型手機。作為一種替代方案，迪昂與勞倫斯提出採用另一束光取代磁場在晶體中創造旋轉的方法。這束光是偏振的，所以其電場螺旋運動，在晶體中產生旋轉的聲波，賦予它類似磁場的旋轉能力，使得更多的光線可以出去。為了打造既小型又高效的結構，迪昂實驗室依靠了其利用微型納米天線以及稱為「超表面」的納米結構材料操控和放大光線的專長。
非互易受激拉曼散射（圖片來源：參考資料1）
研究人員設計了超薄矽盤陣列。它們成對工作，捕捉光線並提高其螺旋運動，直到它找到出去的路徑。這導致了向前的高速傳輸。當向後照射時，聲波向著相反的方向旋轉，並幫助抵消掉任何試圖出去的光線。理論上，對於系統可以變得多小，並沒有限制。在系統的仿真中，他們想像結構可以薄至250納米。（作為參照，一張紙的厚度大約是十萬納米。）
高Q矽超表面的線性行為模擬（圖片來源：參考資料1）
價值
勞倫斯表示：「擁有一台全光學的計算機，用光線完全取代電力，並用光子驅動所有的信息處理，是一個宏大的願景。光線速度和帶寬的增加，將為某些最難的科學、數學與經濟學問題帶來更快速的解決方案。」
從大藍圖來說，研究人員們特別感興趣的是，他們的想法會如何影響類腦計算機（也稱為「神經形態計算機」）的開發。這個目標也需要其他光基元器件例如納米光源和開關的進展。
迪昂表示：「我們的納米光子器件使我們可以模仿神經元的計算方式，賦予計算機技術與大腦同樣的連通性和能量效率，但是計算速度要快很多。」
「我們可以將這些想法帶到許多方向上。我們還沒有發現經典或者量子光學計算和光學信息處理技術的極限。有朝一日，我們將擁有一種全光學晶片，它可以完成電子器件所能完成的每項任務，甚至更多的任務。」
關鍵字
二極體、類腦計算、光子計算
參考資料
1Mark Lawrence, Jennifer A. Dionne. Nanoscale nonreciprocity via photon-spin-polarized stimulated Raman scattering. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI:
10.1038/s41467-019-11175-z
2https://news.stanford.edu/press-releases/2019/07/24/developing-technologies-run-light/
