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光子器件是一种利用光而非电来处理信息的硬件系统。这些系统在计算速度上可能比电子设备更快，同时能耗也更低。
光子系统开发工程师面临的一项关键挑战是实现强光学非线性，或者换句话说，开发能够利用光来控制光信号，同时又能最大限度地降低功耗的方法。一种实现这种光-光相互作用的方案是利用激子极化子，这是一种由光子与激子（即半导体内部束缚的电子-空穴对）耦合形成的混合粒子。
宾夕法尼亚大学和蒙大拿州立大学的研究人员最近推出了一种新的光子系统，该系统能够利用光可靠地控制光信号。
他们在《物理评论快报》上发表的一篇论文中介绍了他们提出的装置，该装置将二维半导体材料二硒化钼（MoSe₂）与光子晶体纳米腔（一种能够紧密限制光的结构）结合起来。
“我们的主要动机是推进全光计算领域——这是一个由来已久的梦想，即构建使用光而不是电来处理信息的系统，”蒙大拿州立大学助理教授、该论文的资深作者李贺告诉 Tech Xplore。
“由于光的传播速度比运动的电子快，产生的热量也更少，因此这些系统可能比当今的电子芯片更强大、更节能。然而，要实现这一点，我们面临着一个根本性的挑战：光子（即光粒子）通常不会相互作用。”
为了在光子器件中实现全光开关，研究人员首先必须找到一种策略，以增强光子之间的相互作用。然后，可以利用这些相互作用来执行与电子设备相同的逻辑运算和计算。
利用二维材料实现超低功耗光开关
这项最新研究的主要目标是利用二维材料（具体来说是 MoSe₂）实现全光开关。他们开发的器件基于单层 MoSe₂，这是一种具有可调电学特性的薄材料。
“通过迫使光与原子级薄的 MoSe₂ 层中的物质强耦合，我们可以有效地让光子相互作用，并用极少的光能改变系统的行为，”何解释说。
“我们通过创造一种称为激子极化子的混合态实现了这一点。这些是‘半光半物质’的准粒子，兼具两者的最佳特性：由于它们一部分是光子，因此可以以光速传播；由于它们一部分是物质（激子），因此可以通过其内部的激子表现出相互作用。”
为了最大限度地提高器件的非线性光学响应，研究人员将 MoSe₂ 与光子晶体纳米腔集成在一起。这是一种纳米尺度的结构，可以非常紧密地限制光，从而增强被捕获的光子与存在于 MoSe₂ 层中的准粒子（称为激子）之间的相互作用。
“纳米腔就像一个超精密的光陷阱，将极化子限制在亚波长尺度，”何教授说。“通过将它们压缩到如此小的空间内，我们显著增强了粒子间的相互作用强度。这使我们能够在创纪录的低功率水平下达到开关阈值，仅需约4飞焦耳的能量。”
为量子和神经形态技术的发展提供信息
何及其同事将二维材料与纳米工程光子结构相结合，成功实现了超快光开关。他们提出的设计方案有望很快得到进一步改进，并应用于特定领域。
“我们展示了在极低光强下实现光开关的途径，朝着光子相互作用所需能量的基本极限迈进，”何说。
“至关重要的是，我们的平台是为大规模生产而设计的。通过使用可采用标准制造技术进行图案化的材料和结构，我们已经证明这些二维材料器件可以集成到大规模集成光子电路中。这为包含数千个相互作用的光学元件的芯片打开了大门。”
未来，研究人员的这项装置可以与其他组件集成，从而创造出各种先进技术。例如，它可用于开发运行人工智能（AI）模型的高速、高能效硬件，以及可扩展的量子计算架构。
“虽然我们目前的研究结果表明，在飞焦耳（fJ）级别存在非线性阈值，但这一限制绝不是由基本物理学决定的，”何补充道。
“我们有明确的途径将这一阈值降低几个数量级。目前，我们正在致力于优化这些纳米结构，以期达到量子态，即单个光子可以控制另一个光子。我们还在探索‘片上集成’——将多个纳米腔连接在一起，以创建用于功能性光学处理器的复杂光电路。”
（来源：内容来自半导体行业观察综合 ）
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