http://www.physorg.com/news/2011-11-long-sought-component-optical-circuits-silicon.html
By David L. Chandler, November 23, 2011
在「光子晶片（photonic chips）」的開發上，最近幾年有了重大進展 -- 這些裝置使用光束而非電子流來完成其運算任務。現在，MIT 研究者已克服一個難關，那使我們能在標準的、構成今日絕大多數電子產品基礎的矽材料上創造光子晶片。
在眾多今日的通訊系統中，資料透過以光纖傳輸的光束來傳遞。一旦光訊號抵達目的地，它就會被轉換成電的形態，透過電子迴路來處理，然後再透過雷射轉換成光。這種新裝置能消除這些額外的電轉換步驟，讓光訊號得以被直接處理。
這個新元件是一個「光的二極體（diode for light）」，Caroline Ross 表示，MIT Toyota 材料科學與工程教授，她是一篇論文的共同作者，該論文發表在 11/13 Nature Photonics 期刊的線上版。它可比擬為電子的二極體 -- 一種讓電流朝某一方向流動，並阻止它往其他方向去的裝置；在本例中，它創造出一條光而非電子的「單行道」。
Ross 解釋，這是必要的，因為，若沒有這麼一個裝置，散亂反射（stray reflections）會使用來產生光訊號的雷射變得不穩定並減少傳輸效率。目前，一種稱為分離器（isolator）的分離裝置（discrete device）被用來執行這項功能，不過這套新系統使得這種功能成為同一個晶片（那完成其他訊號處理任務）的一部分。
為了開發此裝置，研究者得要尋找一種同時兼具透明與磁性的材料 -- 這二種特性很難同時出現。她們最後使用柘榴石（garnet，石榴石）這種材料的某一種形態。柘榴石通常難以在微晶片所用的矽晶圓上生長。柘榴石之所以適合，是因為透過它朝某一方向傳輸光線天生就與另一方向不同：端看光的方向，它具有不同的折射率（光進入材料時會彎曲）。
研究者能沈積一層薄薄的柘榴石薄膜，以蓋住某一迴圈的一半。該迴圈連接到某晶片的光傳輸通道上。結果，朝某一方向穿越晶片的光可自由地通過，而朝另一方向走的光束則會改道進入迴圈中。
整套系統能以標準的微晶片製造機制製造，Ross 表示。"那簡化了全光學晶片的製造，" 她說。（光）迴路的設計「可以像積體電路人員設計一整套微處理那樣」被製作，"現在你能夠完成一套積體光學迴路（integrated optical circuit）了。"
Ross 表示，基於不同的材料，可能使系統的商業化更容易。"一個矽平台正是你想要用的，" 她說，因為 "在矽製程中有很龐大的基礎建設。每個人都知道如何處理矽。那意味他們能著手開發晶片而不用擔心新的製造技術。"
基於二個理由，這項技術能大幅提升資料傳輸系統的速度：首先，光的傳播比電子更快。其次，導線只能載送單一電子資料流，而光運算則能使用多道光束，乘載不同的資料流通過光線或光學迴路而不會產生干擾。"就速度而論，" 這對通訊系統而言，"也許是下一個世代，" Ross 說。
Ross 的研究夥伴包括 Lionel Kimerling，Thomas Lord 材料科學與工程教授以及前學生 Lei Bi（2011）與 Juejun Hu 博士（2009）。這項研究由 NSF 以及一筆 Bi 的 Intel 獎金資助。
"這在光學通訊中是一大進展，" Bethanie Stadler 說，Minnesota 大學的電機與電腦工程教授，其並未涉及該研究。她說。"身為第一個整合柘石榴的（矽）裝置"，這項研究很「有意義」。
※ 相關報導：
＊ On-chip optical isolation in monolithically integrated non-reciprocal optical resonators
http://www.nature.com/nphoton/journal/v5/n12/full/nphoton.2011.270.html
Lei Bi, Juejun Hu, Peng Jiang, Dong Hun Kim, Gerald F. Dionne,＊ 打結的光
Lionel C. Kimerling, C. A. Ross.
Nature Photonics 5, 758–762 (2011)
doi: 10.1038/nphoton.2011.270
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