新型光學諧振器系統

美國華盛頓大學圣路易斯分校(Washington University in St.Louis)的研究人員打造出一種可望成為微處理器關鍵元素的新技術，它是使用光而非電來進行資料處理。該研究團隊已經開發了一套光學諧振器(resonator)系統，能增強光線針對某個方向的傳導，并將光線往其他方向的傳導削弱到幾乎看不見;此外該系統也微縮到能放進一顆矽晶片內的程度。

上述技術與電氣系統內的簡易二極體原理相同，是使用量子力學的扭轉(twisting)概念，不只讓光線只沿著單一方向傳導，而且裝置所輸出的能量高于輸入的能量。在一個甜甜圈形狀的元件中有兩個微諧振器來回反射光線，其中之一傾向損失能量，另一個則是提升能量;當損失的能量相當于特定波長的增益(gain)，系統就會產生相變化，諧振器作用也會逆轉。

根據華盛頓大學研究人員發表的論文顯示，諧振器之間的時間性關系(temporal relationship)逆轉了，能量損失變成增加、增加變成損失。這樣的結果能打造出比目前電氣線路更細微的光學通道，所需要的能量也更低，而且能采用目前的標準半導體電路設計技術。

在傳統光學二極體中，從某個方向輸入的光線會被傳導出去，而從另一個方向輸入的光線則會被攔截;華盛頓大學研究人員開發的新一代光學二極體，則是利用宇稱(parity time symmetric)性微諧振器所制作，當某個諧振器的能量損失，能由另一個諧振器的能量增益來平衡。

“我們相信這個發現將有益于電子學、聲學、等離子體光學(plasmonics)以及超材料(metamaterials)等領域?！必撠煴O管此研究的華盛頓大學實驗室總監Lan Yang表示:“以宇稱性(parity time symmetry，PT symmetry)方式來耦合所謂的損、益元件，能催生像是隱形裝置、消耗更少電力的更強雷射，甚至是能“看”到單一顆原子的探測器等先進技術?！?/p>

華盛頓大學的論文主要作者、Yang團隊研究生Bo Peng表示:“目前我們以二氧化硅(silica)來打造新一代光學二極體，這種材料在電信通訊波長中的耗損很小;這種技術概念也可以擴展至采用其他材料制作的諧振器，以實現更佳的CMOS制程相容性?！?/p>

用一個比喻來形容，這種元件的運作原理與英國圣保羅大教堂(St.Paul's Cathedral)的耳語廊(Whispering Gallery)有點類似。當有人在走廊的某一端小聲講話，另外一端的人能清楚聽到，但站在發聲端附近的反而聽不見。

在理論上，這種元件是有問題的，它是利用物理學的宇稱概念，也就是一個封閉空間中的能量可能不等于內部實際粒子內能量的實際與潛在能量。

該元件反射兩個微諧振器之間的光束，其中之一能量耗損、另一個增加，當某個諧振器的增益等同于另外一個的耗損，系統的宇稱就會被打破;華盛頓大學的論文指出:“此時系統即使在非常弱的輸入電力之下，也會呈現強勁的非線性行為，輸入光線的增益強度會呈現非常陡峭的直線斜率，也就是光線只會由單一個方向傳導?！?/p>

此時一個明顯的結果是，發出自元件的光束強度比輸入該元件的能量更高;打造諧振器的研究人員 Kaya Ozdemir表示:“時間反演對稱(Time reversal symmetry)是一個基礎物理原則，指的是如果光線會沿著單一方向傳導出去，那一定也能從另一端傳導回來;但在新的光學二極體內，這個原則就不成立了?！?/p>

Ozdemir指出，工程師傳統是以磁光學(magneto-optics)或是高磁場來打破時間反演對稱，但華盛頓大學團隊是通過打破宇稱(宇稱不守恒)所產生的強勁非線性來實現;當輸入功率只有1 mW時，能讓單一方向的光線傳輸強度提高17倍，但沒有從另一端過來的光線傳輸;而如果不使用宇稱概念搭配諧振器的結構，不可能達到這樣的結果。