非線性隔離器“身死” 光學(xué)計(jì)算機(jī)芯片“夢(mèng)碎”

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光可以用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信息，而且相比于電信號(hào)，光信號(hào)被認(rèn)為更適合用來(lái)驅(qū)動(dòng)你的電腦和手機(jī)。工程師們正在尋求將光纖中數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)墓饧夹g(shù)微型化的方法，實(shí)現(xiàn)將高速、高效率的光信號(hào)傳輸使用在計(jì)算機(jī)芯片上。但是斯坦福大學(xué)的工程師們近日（6月8日）宣布一個(gè)電腦芯片上光學(xué)數(shù)據(jù)單向傳輸?shù)膹?qiáng)理論限制。

斯坦福大學(xué)電氣工程教授Shanhui Fan和研究生Jerry在《自然光子學(xué)》雜志上公布他們的研究結(jié)果。在短期內(nèi)，他們的發(fā)現(xiàn)會(huì)打擊一些做這方面研究的工程師。但是他們的發(fā)現(xiàn)也將指導(dǎo)研究人員尋找其他方法來(lái)構(gòu)建“單行道”的計(jì)算機(jī)“光芯片”。

Shanhui Fan和Jerry研究用的設(shè)備被稱為非線性隔離器，通過(guò)這個(gè)器件研究人員希望光束信息僅在正方向傳輸，同時(shí)禁止反方向的傳輸。這樣的設(shè)備將簡(jiǎn)化光數(shù)據(jù)在電腦芯片上的傳輸。“但事實(shí)卻是存在信號(hào)的反向傳輸——“后漏”，這類設(shè)備上的這個(gè)現(xiàn)象在之前沒(méi)人發(fā)現(xiàn)?！盨hanhui Fan說(shuō)。Shanhui Fan和Jerry是通過(guò)研究光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸的數(shù)學(xué)理論之后得出了上述結(jié)論的，并有計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果的支撐。

無(wú)論是今天的電子束還是明天的光束，工程師需要電腦芯片在一個(gè)方向上傳輸信息。今天的芯片上包含被稱為二極管的特殊的器件來(lái)保持電子束信息，并保證信息流的流動(dòng)朝著正確方向，同時(shí)阻塞電子束向后流動(dòng)，從而防止信號(hào)混亂。光學(xué)計(jì)算機(jī)芯片，采用光束作為載體，因此也需要一個(gè)“光學(xué)二極管”，也被稱為“光隔離器”。如果沒(méi)有這樣的設(shè)備，將會(huì)產(chǎn)生混亂的噪音信號(hào)。

幾十年來(lái)，叫做非線性隔離器的光隔離器被認(rèn)為是可以幫助保持光學(xué)信息定向流動(dòng)并阻止信號(hào)光束反向流動(dòng)的器件。“這是一個(gè)自然的方法，并且已經(jīng)存在了幾十年,”Shanhui Fan說(shuō)。但Shanhui Fan和Jerry的發(fā)現(xiàn)指出了非線性光電隔離器的一個(gè)強(qiáng)限制。研究人員使用數(shù)學(xué)和仿真來(lái)證明了他們的觀點(diǎn)，他們反對(duì)非線性光電隔離器的理由也是顯而易見(jiàn)的。

在之前的工作中，研究人員使用一個(gè)特定的方法來(lái)測(cè)試非線性光電隔離器芯片能否保持信息流動(dòng)在正確的方向上。他們會(huì)直接在正方向發(fā)射一個(gè)光束并驗(yàn)證隔離器會(huì)讓光線通過(guò)。然后他們會(huì)直接朝隔離器反方向上發(fā)射一束光并驗(yàn)證隔離器將阻塞這個(gè)光束。這不是標(biāo)準(zhǔn)的在同一時(shí)間測(cè)試“前向后向”的做法?！坝锌赡苡谐^(guò)100篇的論文使用這種方法，其中我有一些也是我寫的,”Shanhui Fan說(shuō)。

基于這類的測(cè)試方法，非線性光電隔離器似乎工作正常，看起來(lái)就像他們們可以保持光束在光學(xué)計(jì)算機(jī)芯片朝一個(gè)方向流動(dòng)。但是，當(dāng)Shanhui Fan和Jerry研究了非線性光電隔離器的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)之后，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)前向光束和后向光束同時(shí)存在時(shí)，后向光束將通過(guò)設(shè)備泄漏。

“一旦你理解了基本理論，問(wèn)題就會(huì)很明顯，“Shanhui Fan說(shuō)?！八鼤?huì)在你面前跳出來(lái)。”Jerry進(jìn)行了數(shù)學(xué)證明并用計(jì)算機(jī)仿真表明非線性光電隔離器實(shí)際上是雙向通道?！叭绻扒跋颉狈较虻臒袅林敲垂馔瑯涌梢詮南喾吹姆较蚩梢酝ㄟ^(guò)。“Shanhui Fan說(shuō)。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于為光學(xué)芯片設(shè)計(jì)光電隔離器是很重要的。工程師需要設(shè)計(jì)、發(fā)現(xiàn)新的光電隔離器來(lái)保持光學(xué)信息在一個(gè)方向上流動(dòng)。

Shanhui Fan和Jerry意識(shí)到他們可能是在傳遞一個(gè)不受他們同事歡迎的消息?！耙?yàn)榉蔷€性光電隔離器是一個(gè)已經(jīng)存在了幾十年的方向，但現(xiàn)在它并不是那么理想，”Shanhui Fan說(shuō)。“我們關(guān)閉了死胡同，告訴大家說(shuō)：不要在這條路走下去了?！钡?，Shanhui Fan和Jerry仍然希望傳播這個(gè)消息將引導(dǎo)研究人員找出其他的方法創(chuàng)建單行道光學(xué)通信計(jì)算機(jī)芯片。

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