硅的非线性度提高十万倍

由大阪大学和国立大学领导的一组研究人员创建了一个纳米级硅谐振器系统，可以充当光脉冲的逻辑门。这项工作可能会导致下一代基于硅的计算机处理器，从而弥合电子和光信号之间的差距。

硅是地球上丰富的元素之一，也是所有现代计算的基础。也就是说，从智能手机到大型机，所有计算都是基于通过硅晶体管传输的电信号进行的。从电子信号制作开关和逻辑门很容易，因为电压可以控制其他电线中的电流。然而，互联网上的数据主要是通过光纤电缆以光脉冲的形式发送的。利用硅上的光完全控制数据和逻辑的能力可以带来更快的设备。

挑战在于光粒子(称为光子)之间几乎没有相互作用，因此脉冲无法相互打开或关闭以执行逻辑任务。非线性光学是一个研究领域，旨在寻找光束以某种方式相互作用的材料。不幸的是，单晶硅的非线性极其微弱，因此在过去，必须使用非常强的激光器。

现在，大阪大学和大学的科学家通过制造纳米光学谐振器将硅的非线性度提高了 10 万倍，从而可以使用连续低功率激光器来操作全光开关。他们通过用小于 200 nm 的硅块制造微型谐振器来实现这一点。基于米氏共振原理，波长为 592 nm 的激光可以被困在内部并快速加热块。“当纳米粒子的大小与光波长的倍数相匹配时，就会发生 Mie 共振，”作者 Yusuke Nagasaki 说。

当纳米块处于热光诱导的热态时，543 nm 的第二个激光脉冲可以几乎没有散射地通过，而第一个激光关闭时则不是这种情况。该块可以冷却，弛豫时间以纳秒为单位。这种大而快速的非线性导致纳米级 GHz 全光控制的潜在应用。“预计硅仍将是光集成电路和光器件的首选材料，”资深作者 Junichi Takahara 说。

当前的工作允许光开关占用比以前的尝试少得多的空间。这一进步为直接片上集成和超分辨率成像开辟了道路。

标签： 硅的非线性度