結構光重構電子電路,無需電線

來源：云南昌暉儀表制造有限公司 2022年12月10日 09:53

隨著現代信息集成技術和半導體加工技術的發展，人們已經可以在納米尺度的半導體器件上構筑電路，從而實現特定的功能。

但是，這樣構筑的電路一旦確定后就無法更改，只能在軟件設計上面實現多種功能的轉換，無法在硬件結構上實現重構，一定程度上限制了器件的功能多樣性與復雜度。

這不由使得科學家思考這樣一個問題：能否通過一定的外加條件來直接構筑電子電路，而不依賴傳統的實體電線布局，這樣我們就可以擺脫電極-電線固定結構對功能的限制。

如果能夠直接利用一束光在半導體材料中直接激發電流，這似乎是個可行的方法。對于光生電，我們比較熟悉的是光電效應。

但是，對于集成電路里面的電流，我們不僅僅需要控制電流的強度，還需要控制電流的方向。傳統的光電效應只能控制光電流的強弱，而光電流的方向控制還需要半導體結構來實現，這樣的一個特性使得我們的器件上的電流控制還需要依賴材料具體的結構特性。

要想引入一個有方向性的電流，我們必須在整個光電系統中引入一個不對稱性，也就是至少有一個物理量的存在使得電子能夠定向運動。既然我們不想依賴材料結構的特性，那么可以在激發光源中來引入這樣一個不對稱度，而結構光，一種帶有結構特性的光源，可以幫我們實現這個目的，這也是本文使用結構光來激發光電流的原因。

來自加拿大渥太華大學的S.Sederberg等人就利用結構光的控制，實現了對半導體中光生電流強度和方向的雙重控制，使得我們將有希望只利用光來構建一個電子電路。

相關成果以Reconfigurable electronic circuits for magnetic fields controlled by structured light為題發表在Nature Photonics。

他們具體的原理見圖1，整體思路是：利用兩束光來組成一個結構光，利用這兩束光之間的相位差來控制最終激發出砷化鎵(GaAs)半導體中光電流的強度和方向。

具體原理是：他們使用的兩束光剛好一個是基頻光(1480nm波長，圖1中紅色光波)，一個是倍頻光(740nm波長，圖1中藍色光波)，基頻光引起的雙光子吸收(拓展：名詞解釋 )可以使得GaAs中價帶的電子躍遷到導帶上，倍頻光則可以直接引起GaAs中的電子帶間躍遷。

圖1 光控電流原理圖(圖源：Nature Photonics)

這兩個路徑雖然都是發生在價帶和導帶之間，但他們具體躍遷路徑不一致，使得最終的電子在導帶中的量子態由這兩個路徑的量子干涉決定。也就是說，這兩個躍遷過程的相位可以影響最終的躍遷結果，影響導帶中電子的空間和動量分布。而動量分布表現出的宏觀現象就是電子的方向性。

總的來說，就是基頻光(1480nm波長)和倍頻光(740nm波長)之間的相位差，可以影響GaAs中產生光電流的強度和方向，這也是本文的原理。

基于上述原理，他們構建了圖2所示的光路圖，其中的SLM器件為空間光調制器，是為了調制基頻(w)和倍頻(2w)之間的相位差。最后合成的光束里面便帶有兩束光的時間和空間信息，成為一束結構光，作用在GaAs上面，產生光電流。

圖2 實驗光路圖(圖源：Nature Photonics)

圖3展示了一個簡要原理示意圖，可以看見，兩束光合成的光作用在材料上面，由于附帶有空間分布的相位差，因此在GaAs中產生的光電流也是有一個對應的空間分布。

圖3 相位控制注入電流示意圖(圖源：Nature Photonics)

通過上述的實驗，論文研究團隊驗證了可以利用結構光的控制來實現對產生光電流強度和方向的控制，因此就可以此為基本器件設計具有功能性的電路。如圖4(A),所示，論文中展示了三種光可重構電路的模型，可以通過對結構光的空間相位調制，實現有選擇的連通左邊的電極和右邊的三個電極，我們需要再次注意，這樣的電流連通依靠光注入電流實現，而不依賴任何實體電線。

圖4 部分實驗結果圖(圖源：Nature Photonics)

更深一步的思考，既然結構光可以產生電流，而且還可以控制其方向，那么我們可以構建一個環形電流，從而來獲得一個空間分布的靜磁場，如圖4(B)所示，即由光來構建一個空間分布的磁場，而不依賴任何電磁鐵。

以上的結果說明，我們可以實現由光來注入電流，論文研究團隊也基于此設計了相關器件。有以下幾方面的應用：
1、光可重構電路：無需諸多的電線布局，在減少結構復雜性的同時，也提高了器件的功能多樣性；
2、光注入靜磁場：相比于傳統的電磁鐵而言，利用光來注入磁場，可以減小系統的復雜度，提高磁場產生速率，可用于超快磁化器件的設計；
3、由于激發光是一個脈沖光，因此產生的靜電流也是一個脈沖式電流，因此在本文的激發波長下，可以輻射出太赫茲頻段的光波，這也為開發新的太赫茲源提供思路。

雖然結構光重構電子電路有諸多優點，我們也要看到其中的不足：
首先，本文的光電流分辨率實驗上還只是在微米級別，可以通過優化波長來繼續降低分辨率；其次，本文的方式所產生的磁場強度不夠高，本文理論計算是在毫特斯拉量級，適用的磁性材料有限。

因此，對于結構光重構電子電路這樣一個新的思路，要到真正商業化還有一段技術路線需要完善。

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