在许多技术应用中，快速切换光束至关重要。苏黎世联邦理工学院的研究人员现已开发出一种用于光束的“电光机械”开关，其尺寸远小于现有型号，速度也快得多。这项技术适用于自动驾驶汽车和光量子技术等领域。
近年来，自动驾驶汽车的性能和可靠性都有所提升。不过，在不久的将来获准在道路上完全自动驾驶之前，它们仍须克服一些障碍。最重要的是，汽车需要以极快的速度评估周围环境并识别人和障碍物，这使现有技术面临极限考验。由苏黎世联邦理工学院电磁场研究所的 Jürg Leuthold 领导的科学家团队，与美国国家标准与技术研究院（NIST）以及瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学的同事合作，现已开发出一种新型电光机械开关，未来或可巧妙地解决这两个问题。
等离激元：神奇的关键成分
为实现这一目标，研究人员采用了一种名为“等离激元学”的神奇关键技术。在这种技术中，光波被压缩进远小于其波长的结构中——按照光学定律，这本应是不可能的。不过，沿着金属与介电质的界面引导光，就能实现这一点。介电质是一种几乎不导电的物质，例如空气或玻璃。
光的电磁波会部分穿透金属，使其中的电子振荡，从而形成一种由光波和电子激发态组成的混合体——等离激元。十多年前，一些知名物理学家就已预测，基于等离激元的光学开关可能会给数据传输和数据处理带来变革，因为光子完成这两项任务的速度都远快于传统电子技术。
然而，迄今为止，这项技术未能实现实际商业应用，原因在于光子在等离激元器件中传输时损耗较大，而且所需的开关电压也很高。
发挥等离激元学的优势
“我们现在通过发挥等离激元学的优点、尽量减少其缺点，解决了这些问题。”博士后 Christian Haffner 说。他领导了该项目，也是近期发表于《科学》（Science）的论文第一作者。Haffner 及其同事开发的电光机械开关，其核心部件是一片金膜，厚度仅40纳米、宽度仅几微米；金膜与硅基底之间由一片氧化铝圆盘隔开。
在这种结构中，可以通过机械力控制金膜与基底之间间隙的大小。施加电压时，金膜会轻微弯曲，间隙也随之变小。
间隙大小又决定了光波是直接掠过金膜，还是绕过金膜发生偏转。这时等离激元就发挥作用了。事实上，只有当间隙达到特定宽度时，才能在金膜上激发出特定波长的等离激元。如果光的波长不同，它就不会与金膜耦合，而只会在硅波导中沿直线传播。
低损耗与低开关电压
Haffner 解释说：“由于我们只在绕过开关膜的短距离传输中使用等离激元，因此损耗远低于现有电光开关的损耗。”“此外，我们把金膜做得非常小、非常薄，因此可以用较低的电压实现快速切换。”
科学家已经证明，他们的新型开关可在略高于1伏的电压下，每秒开关数百万次。这意味着通常用于电光开关的笨重且耗电的放大器将不再必要。未来，科学家计划进一步改进这一开关，继续缩小金与硅之间的间隙，从而大幅降低光损耗和开关电压。
应用领域涵盖汽车与量子技术
这种新型开关的潜在应用十分广泛。例如，自动驾驶汽车所用的激光雷达（LIDAR，即“光探测与测距”）系统，需要极快地改变光束的强度和传播方向，因此可以受益于这种快速、紧凑的开关。
此外，这类开关还有望加快汽车驾驶所需的模式识别。为此，开关可用于模拟人脑的光学神经网络，作为加权元件，使网络“学会”识别特定物体——速度几乎与光速一样快。
在其他领域，采用光学方式实现通常由电流驱动的电路，也是热门研究方向。例如，研究人员正在深入研究光量子电路，以实现量子技术（该技术在苏黎世联邦理工学院新近开设的硕士课程量子工程中讲授）。迄今为止，光量子电路一直由经典光学开关支持。这些开关通常利用材料受热时折射率发生变化的原理，而折射率变化会改变光束被材料弯折的程度。
然而，这一过程速度缓慢，而且从长远来看，与其他量子元件通常工作的低温环境不相容，例如量子计算机中的量子比特（“qubit”，对应于表示“0”和“1”的经典比特）。因此，一种几乎不会发热的快速开关也将有助于这类应用。
