光信息處理技術新突破：納米天線成為光計算利器

這種納米天線可以對光子散射方向進行控制，他們可以在不改變其物理尺寸的條件下，改變入射光的散射方向。

【編者按】本文轉載自DeepTech深科技；編輯：崔超宇

最近，俄羅斯和美國的研究人員(俄羅斯圣彼得堡的物理和技術莫斯科研究所（MIPT）和得克薩斯州的奧斯汀大學ITMO)聯合開發了通過納米天線改變光方向的新技術。研究人員認為，這種納米天線將把光信息處理技術推向新的高度。

光計算的首要前提是要用光子取代電子，需要一種簡單的光子的控制手段。相對來說，電子可以簡單地通過施加電場來對其進行控制，而光子既不具有質量也不具有電荷，要對其進行控制不是一件簡單的事。導波管能夠容納光子并長距離地引導它向指定方向移動。納米天線的工作原理則不同，它不是引導光，而是按特定方向反射光子。像普通天線一樣，納米天線的方向性由材料和幾何形狀決定。

值得注意的是，這種納米天線可以對光子散射方向進行控制。研究人員說，他們可以在不改變其物理尺寸的條件下，改變入射光的散射方向。

該國際研究小組在《激光與光子評論》（Laser &Photonics Reviews）發表文章，指出這個微小的（小于200*200*500納米）的硅基納米天線對光子的散射方向取決于光的入射波強度。

ITMO大學高級研究員Sergey Makarov在新聞稿中說：“利用這項新技術，我們可以用更快的速度改變光的傳播方向。”

ITMO研究人員對光子散射做了大量的研究工作，本次提出的納米天線由硅納米顆粒組成。當硅納米顆粒受到激光照射時，它們會產生電子等離子體。這種電子等離子體與表面等離子體光子學領域所熟知的表面等離子體不同，該等離子體僅僅是一束傳導電子，當它吸收光時會進入到半導體導帶中。它們可以自由地通過半導體，直到它們失去能量并落入初始價帶。

在《IEEE Spectrum》的電子郵件采訪中，MIPT研究生Denis Baranov解釋說，“表面等離子體激元是這些自由電子的特殊振蕩形式，但是這些振蕩只有在自由電子的密度相當大時才會產生，在我們的實驗情況下沒有那么多電子。這些電子能產生表面等離子體，只是它們的密度不夠大。”

這種等離子體激發機制正是納米天線的光子偏轉工作原理。從本質上說，入射光越強，光子偏轉角度越大，最大的光子偏轉角度是20度。

Baranov說：“一旦你確定了硅納米顆粒的粒徑和位置，那么光散射的方向是固定的。但是，當在顆粒內產生等離子體時（強脈沖照射），其折射率會發生變化，并因此改變整個納米天線的光學性質。”

換而言之，等離子體會改變散射的方向。Baranov補充道：“人們可以認為這只是稍微改變了粒子的材料——你改變了材料，但保持幾何形狀及尺寸不變，光的散射方向也隨之發生改變。”

同時，納米天線的關鍵技術在于讓一個硅納米顆粒發生諧振。這樣做是為了增強光束路徑的效果。

Baranov解釋說：“假設我們有一個由兩個相同粒子組成的納米天線。由于對稱性，它不能橫向散射光，只能向前散射。”

然而，當一個粒子發生共振時，它會誘發等離子體產生，而其他非共振粒子沒有。這就為天線提供了所需的非對稱行為。

“現在你看到，相同的納米天線能夠根據入射強度向側面或向前散射光，”Baranov說。“對于弱脈沖，沒有等離子體產生，由于天線的不對稱性，它將光散射到側面。當施加強脈沖時，諧振粒子內會產生等離子體，天線因此變成‘對稱’的類型，進而向前散射光子。

這種光學天線可以支持高達250GB/s的數據傳輸速率，有助于彌補光學數據傳輸速率和電子數據處理速度之間的鴻溝?，F在，光纖電纜能以每秒數百千兆位的速度傳輸數據，而可惜的是，我們的電子計算機在這種速度下只能處理這些信號的一小部分。

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