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新 品
03
科 学 家 开 发 出 石 墨 烯 - 硅 光 电 混 合 芯 片
物 理 学 家 组 织 网 报 道 , 美 国 哥 伦 比 亚 大 学 一 项 新 研 究 证 明 石 墨 烯 具 有 卓
据 越 的 非 线 性 光 学 性 能 , 并 据 此 开 发 出 一 种 石 墨 烯 - 硅 光 电 混 合 芯 片 。 这
种 硅 与 石 墨 烯 的 结 合 , 让 人 们 离 超 低 功 耗 光 通 信 近 了 一 步 , 让 该 技 术 在 光 互 连
以 及 低 功 率 光 子 集 成 电 路 领 域 具 有 广 泛 的 应 用 价 值 。 相 关 论 文 发 表 在 《 自 然 · 光
学 》 杂 志 网 站 上 。
该 研 究 团 队 由 哥 伦 比 亚 大 学 的 工 程 师 和 新 加 坡 微 电 子 研 究 所 的 研 究 人 员 组
成 。 他 们 通 过 放 置 一 个 碳 原 子 厚 度 的 石 墨 烯 薄 片 , 成 功 将 不 发 生 光 电 或 电 光 转
换 的 无 源 器 件 , 转 化 成 为 一 个 可 发 射 微 波 光 子 信 号 、 对 波 长 进 行 转 换 的 有 源 器
件 。
新 器 件 所 具 备 的 非 线 性 光 学 性 能 能 改 变 系 统 参 数 ( 如 透 射 比 和 波 长 转 换 )
和 输 入 功 率 水 平 。 团 队 还 发 现 , 在 这 种 由 光 驱 动 的 混 合 芯 片 上 存 在 电 子 和 热 响
应 , 能 发 射 出 无 线 电 信 号 , 并 可 通 过 激 光 进 行 调 制 。 在 使 用 不 同 光 学 频 率 对 无
线 电 信 号 进 行 调 制 后 , 石 墨 烯 - 硅 混 合 芯 片 能 够 产 生 完 美 的 无 线 电 谐 振 , 且 其
所 需 功 率 比 其 他 科 学 家 用 纯 硅 电 路 实 现 的 低 50 倍 。
研 究 人 员 称 , 他 们 通 过 将 两 种 电 磁 场 的 混 合 产 生 了 一 个 新 的 光 频 , 使 用 其
传 输 信 号 时 所 需 能 源 远 低 于 纯 硅 电 路 , 并 在 实 验 中 发 现 了 四 波 混 频 现 象 。 这 使
这 种 混 合 结 构 可 成 为 处 理 大 量 光 学 信 号 的 平 台 。 而 直 到 不 久 前 , 使 用 石 墨 烯 的
类 似 应 用 还 只 停 留 在 微 米 尺 度 的 芯 片 上 , 极 大 限 制 了 这 种 材 料 性 能 的 发 挥 。
领 导 该 研 究 的 哥 伦 比 亚 大 学 机 械 工 程 学 教 授 黄 志 伟 ( 音 ) 表 示 , 石 墨 烯 扮
演 了 重 要 的 角 色 , 极 大 地 提 高 了 原 有 组 件 的 非 线 性 光 学 性 能 , 使 其 具 备 了 数 字
开 关 切 换 功 能 和 存 储 能 力 。 参 与 研 究 的 顾 婷 怡 ( 音 ) 称 :“ 我 们 已 经 能 够 对 石
墨 烯 的 非 线 性 性 能 做 出 证 明 和 解 释 , 这 种 石 墨 烯 - 硅 混 合 芯 片 在 实 验 中 表 现 出
了 卓 越 的 性 能 , 未 来 或 将 成 为 构 建 速 度 更 快 、 效 率 更 高 的 现 代 电 信 组 件 的 基 础 。”
哥 伦 比 亚 大 学 副 教 授 詹 姆 斯 · 霍 恩 表 示 , 目 前 石 墨 烯 大 面 积 、 大 批 量 的 合
成 和 生 产 已 经 成 为 了 现 实 , 为 此 类 新 型 芯 片 的 生 产 提 供 了 基 础 。 而 物 理 和 应 用
物 理 学 教 授 飞 利 浦 · 金 认 为 , 此 次 的 出 色 工 作 表 明 , 当 石 墨 烯 与 硅 结 合 后 是 一
种 独 特 的 光 电 材 料 , 其 具 备 的 超 快 非 线 性 光 学 调 制 性 能 , 将 为 超 快 芯 片 、 高 速
光 通 信 等 许 多 新 颖 的 应 用 打 开 大 门 。
这 种 枪 是 一 个 圆 盘 形 的 铌 酸 锂 晶 体 , 铌 酸 锂 是 一 种 非 线 性 的 材 料 ,
会 使 单 光 子 自 发 地 转 换 成 光 子 对 。
04
光 子 枪 带 来 量 子 互 联 网
们 听 了 很 多 可 能 的 量 子 互 联 网 , 都 是 采 用 单 光 子 编 码 和 发 送 信 息 , 保
我 护 要 采 用 量 子 加 密 新 兴 技 术 。
这 种 系 统 的 主 要 优 点 是 完 美 的 安 全 性 , 这 种 事 情 , 政 府 , 军 队 , 银 行 和
其 他 各 类 群 体 需 要 付 出 一 大 笔 钱 才 能 办 到 。
量 子 互 联 网 的 一 项 关 键 技 术 就 是 可 靠 的 光 子 枪 , 可 以 发 射 单 光 子 , 满 足
需 求 , 这 一 点 并 不 容 易 。
目 前 量 子 密 码 系 统 的 主 要 弱 点 是 有 限 的 可 能 性 , 而 今 天 的 激 光 器 发 射 的
是 成 束 的 光 子 , 而 不 是 一 次 发 射 一 个 光 子 。 当 发 生 这 种 情 况 时 , 窃 听 者 就 可
以 使 用 这 些 额 外 的 光 子 提 取 信 息 , 就 是 正 在 传 输 的 数 据 的 信 息 。
所 以 , 开 发 光 子 枪 的 兴 趣 并 不 少 , 因 为 它 可 以 发 出 单 光 子 , 确 实 , 有 多
个 组 织 已 在 这 方 面 取 得 重 大 进 展 。
在 这 一 背 景 下 , 德 国 埃 尔 兰 根 (Erlangen) 马 克 斯 · 普 朗 克 光 学 研
究 所 (Max Planck Institute for the Science of Light) 的 迈 克 尔 · 弗 奇
(Michael Fortsch) 和 几 个 好 朋 友 今 天 说 , 他 们 已 经 取 得 重 大 突 破 。 这 些
家 伙 声 称 , 他 们 制 成 的 光 子 发 射 器 , 具 有 一 系 列 属 性 , 更 加 灵 活 、 高 效 , 有
意 义 , 胜 过 以 往 的 任 何 东 西 , 这 是 一 种 光 子 超 级 炮 。
这 种 枪 是 一 个 圆 盘 形 的 铌 酸 锂 (lithium niobate) 晶 体 , 用 582 纳 米
的 光 照 射 , 这 种 光 源 自 掺 钕 钇 铝 石 榴 石 (Nd:YAG:neodymium-doped
yttrium aluminium garnet) 激 光 器 。 铌 酸 锂 是 一 种 非 线 性 的 材 料 , 会 使 单
光 子 自 发 地 转 换 成 光 子 对 。
所 以 ,582 纳 米 的 光 子 会 在 圆 盘 内 弹 跳 , 最 终 发 射 出 来 , 成 为 不 变 的
582 纳 米 的 光 子 或 一 对 纠 缠 的 光 子 , 具 有 两 倍 的 波 长 , 大 约 1060 纳 米 。 这
个 纠 缠 对 的 波 长 不 同 , 所 以 , 所 有 三 种 类 型 的 光 子 都 很 容 易 分 离 。
这 种 582 纳 米 的 光 子 会 被 忽 略 。 另 一 对 光 子 中 , 一 个 光 子 用 来 传 递 信 息 ,
另 一 个 光 子 被 探 测 器 获 取 , 以 确 认 其 他 光 子 处 于 准 备 传 输 的 状 态 。
那 么 , 这 个 光 子 枪 有 什 么 特 别 ? 首 先 , 最 重 要 的 是 , 这 种 枪 发 出 的 是 光
子 对 。 这 很 重 要 , 因 为 检 测 到 一 个 光 子 是 一 个 明 确 的 迹 象 , 说 明 另 一 个 光 子
也 已 发 出 。 这 就 像 是 一 个 时 间 戳 , 说 明 光 子 在 传 播 中 。
这 种 所 谓 的 光 子 枪 意 味 着 , 毫 无 疑 问 , 这 种 枪 不 会 把 信 息 秘 密 泄 露 给 可
能 的 窃 听 者 。
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