光信息处理技术新突破：纳米天线成为光计算利器

这种纳米天线可以对光子散射方向进行控制，他们可以在不改变其物理尺寸的条件下，改变入射光的散射方向。

【编者按】本文转载自DeepTech深科技；编辑：崔超宇

最近，俄罗斯和美国的研究人员(俄罗斯圣彼得堡的物理和技术莫斯科研究所（MIPT）和得克萨斯州的奥斯汀大学ITMO)联合开发了通过纳米天线改变光方向的新技术。研究人员认为，这种纳米天线将把光信息处理技术推向新的高度。

光计算的首要前提是要用光子取代电子，需要一种简单的光子的控制手段。相对来说，电子可以简单地通过施加电场来对其进行控制，而光子既不具有质量也不具有电荷，要对其进行控制不是一件简单的事。导波管能够容纳光子并长距离地引导它向指定方向移动。纳米天线的工作原理则不同，它不是引导光，而是按特定方向反射光子。像普通天线一样，纳米天线的方向性由材料和几何形状决定。

值得注意的是，这种纳米天线可以对光子散射方向进行控制。研究人员说，他们可以在不改变其物理尺寸的条件下，改变入射光的散射方向。

该国际研究小组在《激光与光子评论》（Laser &Photonics Reviews）发表文章，指出这个微小的（小于200*200*500纳米）的硅基纳米天线对光子的散射方向取决于光的入射波强度。

ITMO大学高级研究员Sergey Makarov在新闻稿中说：“利用这项新技术，我们可以用更快的速度改变光的传播方向。”

ITMO研究人员对光子散射做了大量的研究工作，本次提出的纳米天线由硅纳米颗粒组成。当硅纳米颗粒受到激光照射时，它们会产生电子等离子体。这种电子等离子体与表面等离子体光子学领域所熟知的表面等离子体不同，该等离子体仅仅是一束传导电子，当它吸收光时会进入到半导体导带中。它们可以自由地通过半导体，直到它们失去能量并落入初始价带。

在《IEEE Spectrum》的电子邮件采访中，MIPT研究生Denis Baranov解释说，“表面等离子体激元是这些自由电子的特殊振荡形式，但是这些振荡只有在自由电子的密度相当大时才会产生，在我们的实验情况下没有那么多电子。这些电子能产生表面等离子体，只是它们的密度不够大。”

这种等离子体激发机制正是纳米天线的光子偏转工作原理。从本质上说，入射光越强，光子偏转角度越大，最大的光子偏转角度是20度。

Baranov说：“一旦你确定了硅纳米颗粒的粒径和位置，那么光散射的方向是固定的。但是，当在颗粒内产生等离子体时（强脉冲照射），其折射率会发生变化，并因此改变整个纳米天线的光学性质。”

换而言之，等离子体会改变散射的方向。Baranov补充道：“人们可以认为这只是稍微改变了粒子的材料——你改变了材料，但保持几何形状及尺寸不变，光的散射方向也随之发生改变。”

同时，纳米天线的关键技术在于让一个硅纳米颗粒发生谐振。这样做是为了增强光束路径的效果。

Baranov解释说：“假设我们有一个由两个相同粒子组成的纳米天线。由于对称性，它不能横向散射光，只能向前散射。”

然而，当一个粒子发生共振时，它会诱发等离子体产生，而其他非共振粒子没有。这就为天线提供了所需的非对称行为。

“现在你看到，相同的纳米天线能够根据入射强度向侧面或向前散射光，”Baranov说。“对于弱脉冲，没有等离子体产生，由于天线的不对称性，它将光散射到侧面。当施加强脉冲时，谐振粒子内会产生等离子体，天线因此变成‘对称’的类型，进而向前散射光子。

这种光学天线可以支持高达250GB/s的数据传输速率，有助于弥补光学数据传输速率和电子数据处理速度之间的鸿沟。现在，光纤电缆能以每秒数百千兆位的速度传输数据，而可惜的是，我们的电子计算机在这种速度下只能处理这些信号的一小部分。

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