光线扭曲器

近看，它很像一堆等待点燃的木柴，但实际上它是由硅片制成的合成晶体。这种晶体具有独特的弯曲特定频率光线的能力，几乎可以在任何方向上弯曲，而且几乎没有损耗。桑迪亚国家实验室的研究人员取得的这项成就不仅仅是实验室里的好奇心：这些设备是通信和光计算快速发展的关键。

这种相互连锁的棒状晶格，称为光子晶体，就像一面镜子，可以防止特定频率的光线从空腔中逸出。通过选择合适的棒条宽度和间距，研究人员可以选择被困在这种光子“带隙”中的光线频率。然后，通过在晶格中小心地引入杂质或变化，他们可以创建路径，使被困的光线在晶体中进行过山车式的运动。无论转弯有多急，频率大致位于带隙中间的光线都无法逃脱。

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这种几乎不漏光的晶格可以引导大约 95% 的光线在其内部传播，而传统的波导则约为 30%。而且它们可以快速改变光线方向：它们弯曲光线所需空间仅为传统波导的十分之一到五分之一。桑迪亚光子晶格的转弯半径目前在一个波长范围内，而不是传统的波导弯曲的 10 个以上波长。

自 1987 年由现任加州大学洛杉矶分校教授的伊莱·亚布罗诺维奇首次提出这一想法以来，研究人员一直试图构建实用的“光子带隙结构”。他于 1990 年建造的第一个光子晶体，大小如棒球，可以引导天线应用中有用的微波。在 20 世纪 90 年代中期，爱荷华州立大学和附近的能源部艾姆斯实验室的科学家们建造了大小如乒乓球的晶体，也是用于微波。它们是由裁缝常用的普通直金属针手工组装而成的。由麻省理工学院的 J. D. Joannopoulos 领导的另一个小组也在追求类似的目标。

桑迪亚的进步是将晶体缩小到纳米领域。目前的设备由桑迪亚研究人员肖恩·林和吉姆·弗莱明建造，在红外范围内工作（波长约为 10 微米），可用于增强或更好地传输红外图像。“我们建造了相同的结构，但尺寸大了 100 多倍。肖恩·林的小组能够做到这种尺寸，真是太了不起了，”艾姆斯实验室的研究员拉玛·比斯瓦斯说。

但林并没有止步于红外线。下一步已经在进行中，是一个 1.5 微米的晶体——几乎世界上所有光传输信息都通过的区域。其他光子科学家确信桑迪亚团队将实现其目标。“凭借林现在使用的结构，他将在未来 12 个月内达到目标，”麻省理工学院教授 Joannopoulos 小组的成员皮埃尔·维伦纽夫预测道，他曾对光子晶体的用途进行过理论研究。

维伦纽夫和其他人充满信心的原因是桑迪亚小组采用的制造技术。林和弗莱明能够利用桑迪亚为制造微型机器而完善的技术——使用类似于制造计算机芯片的技术的变体，从硅中雕刻出微小的齿轮和轮子。像半导体制造中使用的硅晶片一样，硅晶片上涂有二氧化硅。然后在二氧化硅中蚀刻出沟槽，并填充多晶硅。

对芯片进行抛光，并在顶部添加另一层，这次沟槽与下层的沟槽成直角。重复该过程多次后，用氢氟酸蚀刻掉二氧化硅，留下一个多晶硅棒的晶格，这些棒宽 1.2 微米，高 1.5 微米，间距为 4.8 微米——与艾姆斯实验室研究人员预测的结构相同，该结构对于制造光子等效的电子带隙是必要的。可以在单个 6 英寸硅晶片上制造数以万计的这些器件。

如果桑迪亚工作人员实现其 1.5 微米频率的目标，该开发将为更小、更便宜、更有效的光波导、传感器、激光器铺平道路——甚至使光计算机成为现实。由于在将光线反射回自身的三维反射中几乎没有光损失，因此理论上可以实现一种新型的微激光器，该激光器只需要很少的启动能量。

此外，光子晶体将有助于研究人员开发利用光子而不是电子的计算机。光子比电子更快更冷，但没有人能够将有用的光频率弯曲到足够紧的角落，以在邮票大小的计算机芯片上导航百万次转弯。在通信中，这些设备将更容易分离通过光纤传输的白光组合流中各种频率携带的数据。

桑迪亚的发现首次在 1998 年 7 月 16 日的《自然》杂志上披露。实验室官员表示，他们已为新设备申请了专利，并且至少有一位风险投资家联系了他们，渴望将该技术商业化。

这种新的操纵光线的方式能否与晶体管相媲美？