用光取代电子打造芯片，他们跨出了重要一步

一项新的研究发现，通过使用基本上像开瓶器一样在空间中盘旋的光波，光逻辑门的运行速度可以达到电子门的 100 万倍，从而推动了基于光的超快计算的发展。它还揭示了光学计算和传统电子计算之间的一个新的、有前途的接口。

现代电子产品从晶体管构建逻辑门以执行逻辑运算，例如 AND、OR 和 NOT。芬兰阿尔托大学的研究主要作者 Yi Zhang 说，为了创建更快的电路，科学家们长期以来一直在研究用基于光的光学设备代替电子门。这些理论上可以更快地运行，因为光子以光速传播，而电子则不然。

在这项新研究中，研究人员探索了使用一种被称为手性的光的特性。光束可以像螺丝上的螺纹一样呈螺旋状，以右旋或左旋圆偏振顺时针或逆时针旋转。（用右手“竖起大拇指”。拇指指向的方向与手指弯曲的方向相比，代表右旋圆偏振波的螺旋方向与其传播方向的对比。）

Zhang 和他的同事用单层二硫化钼（由夹在两层硫原子之间的一层钼原子组成）放置在二氧化硅上，创建了一个门。当研究人员将两束光束照射在门上时，输出光束的旋向性（也称为手性）由输入光束的手性决定。当两个输入光束具有相同的手性时，输出光束为右手性，但当两个输入光束具有不同的手性时，输出光束为左手性。

这种新设备用作一种逻辑门XNOR。通过添加滤波器或其他光学组件，研究人员创建了其余其他类型的逻辑门，例如AND、OR、NOR、XOR 和 NAND。

张说，新门的执行速度不到 100 飞秒，大约是电子门的 100 万倍。此外，科学家们发现，他们只需向二硫化钼施加电压，就可以实现对门的高速电控。

“传统上，电子和光学计算之间的联系主要是通过缓慢且低效的光电和电光转换来实现的，”张说。“我们展示了手性光门的电气控制，实现了电气和光学计算之间直接互连的令人兴奋的前景。”

此外，研究人员表明，单个设备可以同时运行多个门。相比之下，以前的电子门和光门通常一次只执行一个逻辑运算，Zhang 指出。他说，这些发现表明同时存在多个手性逻辑门可以帮助构建复杂的多功能电路和网络。

未来，研究人员希望展示他们的手性逻辑门可以执行“级联”，这是一种有助于构建大规模电路的操作。尽管以前的光闸在级联时遇到了很大的困难，但张认为理论上这应该不是他们设备的问题。

张指出，他们面临的最大挑战是门操作背后的非线性光学效应的效率非常低。“好消息是，最近报道了几种具有高非线性转换效率的新材料，”他说。

来源：半导体行业观察