唧唧堂名校科研介绍2014-12-16 5:39 PM

"光链接"设备将使光代替电脑中的导线


斯坦福大学的一个团队开发了一种拥有看起来像条形码的图案的硅切片,这种切片可以将光弯曲出正确的角度,使得工程师向在电脑中用光代替导线的飞越更迈进了一步。 该团队将这种切片设备叫做光链接(optical link)。 当光束照射在链路上时,光的两个不同波长呈直角分散射出,形成一个T形。


该研究的领导人,斯坦福大学教授Jelena Vuckovic表示,光比导线能携带更多数据,并且它在将光子转化成电子的过程中消耗的能源更少。


这之前,Jelena Vuckovic的团队开发了一种算法,这种算法完成了两项突破:它将设计光学结构的流程自动化了,并且它使得团队可以开发出原来无法想象的纳米级的可控制光的硅片结构了。


如何创建一个硅棱镜

这种硅片设备是通过将一种很小的二维码图案蚀刻到硅片上,使得它像小尺度棱镜那样分离光波。 这一工程的完成得益于该团队对光在不同的材料间穿梭速度如何发生变化的精确理解和掌握。


我们所说的光的速度指的是光在真空中传播的速度。 光在空气中传播的速度略慢,在水中更慢。 这种速度的差别导致一种我们经常看到的现象:吸管在一玻璃杯水中看上去有错位。 材料的折射率属性显示了速度的差异。 折射率越高,光在那种材料中的穿梭速度越慢。 空气的折射率接近1,而水的折射率接近1.3。红外线光穿过硅的速度更慢:它的折射率达到了3.5。


斯坦福研究算法设计的结构可以用一种特别的方法扭转硅片和空气间隙。 这种设备很好地利用了一种现象,即光穿过一种介质到另外一种介质的时候,有些光会反射,另外一些会被转换。


当光穿过这种二维码硅片时,光的反射和转换以一种非常复杂的方式发生。 用斯坦福算法设计出的二维码就是利用这种复杂精妙的干扰将一束光波导向左边,将另一束光波导向右边。 1300 纳米光和1500纳米光,也就是广泛被用在光纤网络的被我们叫做C频段光和O频段光就是从以上所说的设备转发出的。 二维码图案硅片将C频段光转向一个方向,将O频段光转向另一方向。


史无前例

研究人员是在早就知道他们想要的效果的情况下来设计这个二维码图案的。 比如他们希望C和O频段的光射向相反的方向,他们就让算法设计出一种机制达到这一目标。 Vuckovic教授表示他们希望软件可以只根据我们想要的输入和输出就能设计出相应的硅片设备图案结构。


为设计该硅片设备,在电子工程Stephen Boyd教授的帮助下,斯坦福团队应用了凸优化的相关理论。凸优化理论是一种解决复杂的例如股票市场交易的问题的方法。


Vuckovic教授表示,多年来,纳米光子学研究者都在用单一的尺寸和常规的形状在制造设备,但是,斯坦福团队开发的这一算法所设计的硅片设备却是史无前例的。


这种算法从一张单纯的硅片开始编写,通过成百上千次的微调,团队慢慢找到了越来越好的二维码结构来获得他们想要的光输出。 以往的纳米光子学结构都是建立在常规的尺寸图案以及设计者的直觉上的。斯坦福的算法仅用15分钟就可以通过电脑设计出这样的结构图案。


斯坦福团队也利用这种算法来设计其它一系列设备。 他们认为算法是王道,它给了团队一种工具来创建各种各样的发挥不同功效的光原件。 很多这种原件是从来都没有过的。


论文原文:

Inverse design and implementation of a wavelength demultiplexing grating coupler, 2014年12月发表于Scientific Report



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