纳米级光子二极管有望进一步推动新一代计算技术

斯坦福大学的研究人员正在设计一种制造光子二极管的方法，光子二极管是一种允许光在一个方向上传播的装置，小到足以供消费电子产品使用。他们通过计算机模拟和计算测试了他们的设计，并发明设计了安装光源所需的纳米结构，他们希望这将使他们光子二极管的理论变得有生命力。

传统上，光子二极管必须相对较大，以便产生控制光流所需的强光旋转。作为替代方案，斯坦福大学的团队使用另一个光束而不是磁场实现了一个晶体旋转。在这种全光非磁性方案中，光束被极化，使其电场呈螺旋状，在晶体中产生旋转声振动，使其具有磁性旋转能力和更多功能。为了使结构小而有效，研究人员使用纳米天线和纳米结构材料来操纵和放大光。研究人员设计了超薄硅阵列，它们成对工作以捕获光线并增强其螺旋运动，直到它离开二极管。这增强了向前移动的光传输。当以相反方向照射时，晶体中的声振动以相反的方向旋转，并有助于抵消任何试图退出的光。

研究人员说，从理论上讲，系统的大小没有限制。对于他们的模拟，他们设想了一个薄到250纳米的结构，展示了近红外频率的自由空间光束的纳米级非互易传输，以及具有250nm厚的硅表面和完全亚波长的等离子体间隙纳米天线。该团队认为，从纳米光学隔离器和全双工纳米天线到拓扑保护网络，这些发现可为紧凑、非互惠的通信和计算技术提供基础。

“雄心勃勃的愿景是拥有一台全光学计算机，电力完全由光和光子取代，推动所有信息处理，”研究员Mark Lawrence说。“增加光速和带宽可以更快地解决一些最难的科学、数学和经济问题。”研究人员也对他们的工作如何影响神经形态计算机的发展感兴趣。该目标需要在其他基于光的组件中进一步发展，例如纳米级光源和开关。“我们的纳米光子器件使我们能够模拟神经元的计算方式 - 为大脑提供相同的高互联性和计算能效，但速度要快得多，”Jennifer Dionne教授说。

非互易受激拉曼散射。a 能量图，用于将泵浦光子的拉曼衰变成斯托克斯光子和声子。b由磁化介质中的法拉第效应引起的非互易极化旋转。c，d产生自旋极化非互易受激拉曼散射（SRS）的声子，用于CPL在z中传播。 Mulliken符号和x-y拉曼张量用于c硅和d蓝色磷烯。 e由在圆偏振光泵浦的硅中受激拉曼散射引起的单向放大