据澳大利亚悉尼大学官网近日报道，该校与其他科研院所的研究人员们通过深入研究受激布里渊散射现象，在芯片上运用光与声之间的这种相互作用，将为5G、宽带网络、传感器技术和国防工业带来变革。光纤是全球的神经系统，转眼之间，就可以跨越地球传输“太字节（1太字节=2^40字节）”的数据。
（图片来源：RMIT）
随着信息以光速跨越全球传输，在二氧化硅与聚合物纤维内部反射的光波能量会创造出微弱的振动，这种振动将造成声音或者声波的反馈数据包，也称为“声子”。
（图片来源：A. Nick Vamivakas 和 Michael Osadciw, 罗切斯特大学）
这种反馈会导致光线散射，引发一种称为“布里渊散射”的现象。布里渊散射起源于激光电场与分子或固体中的声波场之间的相互作用，也就是光子与声子的相互作用，又称声子散射。
对于大多数的电子与通信工业来说，这种光线散射是一件坏事，因为它降低了信号的功率。
但是，对于一个新兴的科学家小组来说，这种反馈过程却适用于开发新一代的集成电路，这些集成电路有望彻底改变我们的5G和宽带网络、传感器、卫星通信、雷达系统、防御系统甚至是射电天文学。
近日发表在《自然·光子学（Nature Photonics）》期刊上的一篇综述论文的合著者、澳大利亚悉尼大学纳米研究所主任本·艾格尔顿（Ben Eggleton）教授表示：“毫不夸张地说，有关这个过程的研究正在复兴。在芯片上运用光与声之间的这种相互作用，为集成电路领域的第三次革命浪潮提供了机遇。”
本·艾格尔顿教授在悉尼大学纳米研究所光子学实验室（图片来源：悉尼大学）
第二次世界大战之后，微电子领域的科学发现代表了集成电路领域的第一次浪潮，导致依赖硅芯片的电子设备（例如手机）随处可见。第二次浪潮产生于在本世纪之交，以光电子系统开发为代表，这些光电子系统已经成为全世界大型数据中心的基础。
先是“电”后是“光”，然而现在的第三次浪潮却是与“声”相关。
艾格尔顿教授的研究在世界上处于领先地位，他正在研究如何采用这种“光子-声子相互作用”去解决现实世界中的问题。他位于悉尼大学纳米科学中心和物理学院的研究团队在这个课题上发表的论文超过70篇。
他与该领域的其他全球领导者们合作，近日在《自然·光子学（Nature Photonics）》期刊上了发表了一篇综述论文，概述了科学家们所说的“布里渊集成光子学”的历史与潜力。他的合著者包括悉尼科技大学教授克里斯托弗·鲍尔顿（Christopher Poulton）、耶鲁大学教授彼得·拉基奇（Peter Rakich）、麦考瑞大学教授迈克尔·斯蒂尔（Michael Steel）、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校教授高拉夫·巴尔（Gaurav Bahl）。
1922年，法国物理学家里昂·布里渊预测，光线的散射会由光线与声学声子的相互作用引起。
上世纪六十年代与七十年代，在光子（光）与声子（声）之间创造出的增强反馈回路中，科学家们发现了一个有趣的现象，这个现象称为“受激布里渊散射（SBS）”。
在受激布里渊散射过程中，光波与声波是“耦合的”，由于光波与声波的波长相似，所以这个过程得到了增强，尽管它们的速度相差几个数量级：光速比声速大约快几十万倍（这就解释了为什么你总是在听到雷声之前看到闪电）。
但是，为什么要增强这种布里渊反馈效应的影响力？
艾格尔顿教授表示：“在芯片上控制信息需要耗费大量能量，并产生许多热量。随着我们对于光学数据的依赖不断增加，光与微电子系统之间的相互作用的过程变得问题重重。受激布里渊散射为我们将光学信息集成到芯片环境中提供了一条全新的途径，在没有电子系统产生热量的情况下，采用声波作为缓冲区降低数据速度。进一步说，采用受激布里渊散射的集成电路，为取代飞行和导航系统中可能要重成百上千倍的元件提供了机遇。这是一个不容忽视的成就。”
采用受激布里渊散射元件的集成处理器概念示意图。（图片来源：悉尼大学）
如何包含光-声相互作用的过程一直是关键问题，但是艾格尔顿教授及其同事们在《自然·光子学（Nature Photonics）》期刊上指出，这方面的研究在过去十年取得了巨大进展。
2017年，悉尼大学艾格尔顿课题组的研究员比伊特·斯蒂勒（Birgit Stiller）博士与莫里茨·梅克林（Moritz Merklein）宣布了世界上首次在芯片上将光学信息变换为声学信息。为了强调光速与声速之间的差异，这项成果被描述为“在雷声中存储闪电”。
2018年，阿莫勒·乔达里（Amol Choudhary）博士进一步开展了工作，开发出基于芯片的信息恢复技术，这项技术无需庞大的处理系统。
艾格尔顿教授表示：“这一切都是为了降低这些系统的复杂度，以便我们为完整的集成系统开发出通用的概念框架。”
工业和政府对于部署这些系统的兴趣不断增长。最近，悉尼大学纳米研究所与澳大利亚空军签署了合作协议，与澳大利亚空军的 Plan Jericho 项目一起革新澳大利亚空军的感知能力。洛克希德·马丁公司以及哈里斯公司等公司也一直在与艾格尔顿课题组合作。
巴尔教授表示：“这篇论文概述了从光与声之间的这一基本相互作用中得出的丰富物理知识，这种相互作用在所有的物质状态下都能发现。我们不仅看到了巨大的技术应用，而且也看到了纯科学研究所带来的财富。光的布里渊散射有助于我们测量材料的特性，转变光与声通过材料的方式，冷却小型物体，测量空间、时间与惯性，甚至传输光学信息。”
鲍尔顿教授表示：“这里的巨大进展是，在真正很小的尺度上同时控制光波与声波。这种控制相当困难，尤其是因为两种波的速度差异很大。这篇论文中所阐述的制造和理论方面的巨大进展表明，这个问题可以得到解决，并且光与声之间的强大相互作用，例如布里渊散射，现在可以在单芯片上控制。这就为连接光学与电子学的一系列应用打开了大门。”
斯蒂尔教授表示：“在集成的布里渊技术中，一个迷人的方面就是它的范围涵盖了从量子层面的声-光相互作用的基本发现，到移动通信中的柔性滤波器等非常实用的器件。”
艾格尔顿教授表示：“这个采用光波和声波进行信号处理的新范例，为基础研究和技术进步开辟了新的机遇。”
艾格尔顿教授表示，在这个芯片级的集成系统进行商业部署之前，有许多障碍需要克服。然而，从尺寸、重量和功率等方面的效果来看，付出努力是很值得的。
首个挑战就是开发一个将微波和射频处理器与光-声相互作用集成到一起的架构。艾格尔顿课题组的研究成果表明，他们正朝着实现这个目标大踏步前进。
另外一项挑战在于，降低系统中由多余的光线散射引起的“噪声”（或者说干扰），这些光线散射会降低信噪比。有一个提议就是让芯片工作在靠近绝对零度的低温条件下。这个方法具有重要的现实意义，也能发挥量子处理的作用，更好地控制光子-声子相互作用。
科学家们也对构造这些集成系统所用的大多数适用材料进行了实际研究。硅具有明显的吸引力，因为大多数微电子器件都是采用廉价丰富的材料构造的。
然而由于材料的相似性，二氧化硅在光纤中配合硅基底一起使用，意味着信息会泄露。
寻找足够弹性和非弹性的材料去包含光波和声波，同时使它们可以相互作用，是一个值得推荐的方法。某些研究小组采用硫系化合物，一种具有高折射率和低硬度的软玻璃基底，它可以限制光波与弹性波。
这篇综述论文的合著者、麦考瑞大学教授斯蒂尔表示：“在这个阶段，所有的材料系统都有它们的优点与缺点，但是这仍然是一个成果丰硕的研究领域。”
