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足球情报分析:新型光开关,可实现超快全光信号处理和计算

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加州理工学院的工程师们开发了一种开关,计算机最基本的部件之一,使用光学部件,而不是电子部件。这项发展可以帮助实现超快全光信号处理和计算。


通过使用光脉冲而不是电信号,光学设备能够比电子设备更快地传输信号。这就是为什么现代设备经常使用光学来发送数据;例如,想想比传统以太网电缆提供更快互联网速度的光纤电缆。



光学领域有可能通过以更快的速度和更低的功耗做更多的事情来彻底改变计算。然而,目前基于光学的系统的主要限制之一是,在某一点上,它们仍然需要基于电子的晶体管来有效地处理数据。


现在,加州理工学院电子工程和应用物理学助理教授Alireza Marandi领导的一个团队利用光学非线性的力量,创造了一种全光开关。这种开关最终可以利用光子进行数据处理。


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开关是计算机最简单的部件之一。一个信号进入开关,根据特定的条件,开关要么允许信号前进,要么停止它。这种开/关特性是逻辑门和二进制计算的基础,也是数字晶体管的设计目标。然而,在这项新工作之前,用光实现同样的功能被证明是困难的。与晶体管中的电子不同,电子可以强烈影响彼此的流动,从而导致“开关”,光子通常不容易相互作用。



两个因素使得突破成为可能:Marandi团队使用的材料,以及他们使用材料的方式。首先,他们选择了一种称为铌酸锂的晶体材料,这是一种铌、锂和氧的化合物,在自然界中并不存在,但在过去的50年中,它被证明对光学领域至关重要。这种材料本质上是非线性的:由于原子在晶体中的特殊排列方式,它产生的输出光信号与输入信号不成比例。


纳米制造技术的进步使Marandi和他的团队能够创建基于铌酸锂的集成光子器件,允许将光限制在微小的空间内。空间越小,同等功率的光强度越大。因此,通过这种光学系统携带信息的光脉冲可以提供比其他方式更强的非线性响应。


最终结果是创建了一个非线性分路器,其中光脉冲根据其能量被路由到两个不同的输出,这使得切换在不到50飞秒(飞秒是一千万亿分之一秒)内发生。相比之下,最先进的电子开关需要几十皮秒(一皮秒是万亿分之一秒),相差很多个数量级。


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