8/24/2011，光二極管已經(jīng)可以集成在芯片上，家用型光子計算機(jī)也許已不再遙遠(yuǎn)。

   自從德州儀器和仙童半導(dǎo)體在1958年分別發(fā)明集成電路以來，以硅為基礎(chǔ)的電子計算機(jī)已經(jīng)成了計算設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。但是，人們依然對生物計算機(jī)、量子計算機(jī)和光子計算機(jī)等更快更強(qiáng)的計算機(jī)類型寄予厚望，而就目前來看，它們當(dāng)中最有希望的可能是光子計算機(jī)。

   光子芯片會是光子計算機(jī)的主要信息處理器件，而能夠大規(guī)模集成化的光子器件則是光子芯片的基礎(chǔ)；在這些光子器件中，具有邏輯處理功能的光二極管又是最重要的。在硅基電子計算機(jī)中，電子二極管是最常用的開關(guān)器件之一，它可以根據(jù)電流的方向不同而輸出不同的電流，進(jìn)而表示1或者0。光二極管也應(yīng)該類似于電子二極管般具有單向傳輸?shù)奶匦裕�使某個方向的入射光可以通過，而反向的光信號則會完全反射。但是因為光的反射性，實現(xiàn)這種單向傳輸并不容易。

   最近發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇文章改變了這種狀況。來自中國南京大學(xué)和美國加州理工大學(xué)的研究人員設(shè)計出了一種包含半導(dǎo)體鍺、金屬鉻的硅制波導(dǎo)，能夠?qū)崿F(xiàn)光線的單向傳輸。相比而言，傳統(tǒng)的光學(xué)器件就像是空氣一樣，“你看得見我，我也就看得見你�！边@篇論文的第一作者、現(xiàn)在在加州理工大學(xué)從事博士后研究的馮亮說，“但是我要做的東西讓你能看見我，但是我看不見你。也就是你那邊發(fā)出來的信號到達(dá)不了我這里�！�

   這就是光二極管的作用，大多數(shù)時候，這種器件被叫做“光隔離器”。這種器件實際上已經(jīng)有了超過100年的歷史，但是對于芯片級的光路設(shè)備來說，還沒有合適的解決方案�，F(xiàn)在，這項受到中國國家基礎(chǔ)研究973項目、國家自然科學(xué)基金，以及美國國防部高等計劃研究署資助的研究，將會為光子芯片和光通訊領(lǐng)域帶來革命性的進(jìn)展。

   目前我們使用的光隔離器，大部分是基于19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的法拉第效應(yīng)而實現(xiàn)的。法拉第效應(yīng)是指線偏振光會在磁場中旋轉(zhuǎn)偏振方向的現(xiàn)象—線性偏振光早在20世紀(jì)早期就已經(jīng)用于3D電影中，它們只會在某一個方向上振動，就像是我們在抖動一根繩子時所看到的那樣。基于法拉第效應(yīng)的光隔離器一般由兩個線偏振器中間加上一個法拉第旋轉(zhuǎn)器構(gòu)成，當(dāng)在偏振光的傳播方向上添加外加磁場時，偏振光就會旋轉(zhuǎn)過一個角度，這個角度和磁感應(yīng)強(qiáng)度、器件材料厚度和材料特性有關(guān)�，F(xiàn)在常用的旋轉(zhuǎn)器往往是用釔鐵石榴石晶片加上與光線方向垂直的磁場制成，當(dāng)光線通過這套隔離器時，沿著透光軸方向的光線能完全通過，而與之垂直的偏振光則完全不能通過。

   法拉第效應(yīng)的特別之處在于，這種磁光旋轉(zhuǎn)方向是不可逆的—無論光的方向如何，迎著外加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向觀察，偏振光總是順時針旋轉(zhuǎn)。所以在光隔離器中，兩個偏振器的透光軸之間的夾角被設(shè)置成45度。當(dāng)光經(jīng)過第一個偏振器后，偏振方向會旋轉(zhuǎn)45度，并通過第二個偏振器傳出；當(dāng)反方向的光線傳入時，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)器再旋轉(zhuǎn)45度，光線的偏振方向?qū)⒑偷谝粋�偏振器的透光軸方向垂直，也就完全無法通過�，F(xiàn)在這種光隔離器已經(jīng)廣泛使用于光通訊，例如作為光纖放大器的部件等等，已經(jīng)相當(dāng)成熟。

   另一種方案是使用非線性材料，它能改變光的頻率，從而讓兩側(cè)射入的光線不會混在一起。但是，這兩種方案都無法在芯片中實現(xiàn)。現(xiàn)在我們談到的“芯片”，是指以硅為基本材料、以刻蝕、擴(kuò)散、注入等工藝制造的大規(guī)模集成電路，其中器件的尺寸只能以納米為單位來計量。硅材料不具有磁光效應(yīng)，而且非線性效應(yīng)也不大，所以傳統(tǒng)的光隔離器技術(shù)無法小型化到現(xiàn)在電子計算機(jī)的芯片程度。

   而現(xiàn)在這種新型光隔離器的設(shè)計則是以微觀世界的對稱缺破為基礎(chǔ)的。在經(jīng)典物理學(xué)中，對稱性規(guī)律占據(jù)著核心地位，我們之所以信任鏡子中自己的形象，就是因為宏觀宇稱對稱的存在——鏡像總是能完全和我們保持一致。但是，1956年李政道和楊振寧發(fā)現(xiàn)的“宇稱對稱性在弱相互作用中不守恒”現(xiàn)象打破了這一規(guī)律，人們開始意識到，在微觀世界，粒子并非和鏡子里的自己一模一樣。不僅如此，就連鏡像中的時間，也不一定以和真實世界中相同的速度流逝。

   馮亮在碩士期間就讀的南京大學(xué)微結(jié)構(gòu)國家重點實驗室，曾經(jīng)在聲子二極管研究的基礎(chǔ)上提出了波矢模式躍遷機(jī)制；而現(xiàn)在利用微結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)時間反演和空間宇稱破缺的光路，則是這種原理的一個延伸。這兩種對稱性缺破證明了產(chǎn)生非對易現(xiàn)象的可能性，而研究人員利用蒸鍍技術(shù)，在硅波導(dǎo)中制作出正弦波形的鍺和鉻突起，則實現(xiàn)了完全單向的波矢躍遷和模式轉(zhuǎn)換。光線以對稱模式從左邊入射時，會一直保持對稱模式從右邊射出；而從右邊入射時則會發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生非對稱模式。因為不同模式的光無法相互作用，因此這兩束光就被隔離開，不會造成光路錯誤。

   現(xiàn)在，這個研究團(tuán)隊已經(jīng)制造出了一種新的光學(xué)波導(dǎo)—一個800納米寬、能輸送光的長硅條，并且計算出了不同寬度硅波導(dǎo)所需的鍺和鉻突起的高度。想要把這種裝置變得適合光子芯片使用，并非什么難事。

   光子芯片中會包含許多器件，例如光源、光調(diào)制器、光放大器、光學(xué)微腔、光晶體管等等，目前大多數(shù)器件都已經(jīng)實現(xiàn)了芯片化。現(xiàn)在這種新型光隔離器又將光子芯片的開發(fā)推進(jìn)了一大步。也許只需要10年時間，家用計算機(jī)處理器中流動的就將不再是緩慢的電子，而是光速行進(jìn)的光。