01

萬(wàn)能光學(xué)“魔鏡”

傳統(tǒng)光學(xué)器件都是什么樣的？透鏡、分光器、濾光器等光學(xué)器件都需要精確的幾何結(jié)構(gòu)（如表面光滑度、曲率等）和材料特性（如折射率、非線性特性等）來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能，所以每種光學(xué)功能都依賴于不同的光學(xué)元件和設(shè)計(jì)。

比如透鏡要通過(guò)彎曲光線來(lái)聚焦光束；光纖耦合器則需要在精確的角度和尺寸上進(jìn)行設(shè)計(jì)，以將光束從一根光纖導(dǎo)引到另一根光纖；調(diào)制器則是通過(guò)改變光的振幅、相位或頻率來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)……這也導(dǎo)致長(zhǎng)期以來(lái)，光學(xué)器件是按照“一設(shè)備、一功能”的模式來(lái)設(shè)計(jì)。

有沒(méi)有可能，將這些光學(xué)功能全部集成于一塊小小的芯片？還真做到了。

光芯片的應(yīng)用

近期日本基礎(chǔ)科學(xué)研究所NTT Research聯(lián)合康奈爾大學(xué)、斯坦福大學(xué)，成功研發(fā)出全球首款“可編程非線性光子芯片”，其成果已發(fā)表于《自然（Nature）》雜志。這項(xiàng)重大突破允許在單一芯片上，實(shí)現(xiàn)快速切換多種非線性光學(xué)功能，徹底顛覆了傳統(tǒng)光子器件“一設(shè)備、一功能”的設(shè)計(jì)范式。

光子芯片可跟我們常說(shuō)的CPU這類跑“電”的電子芯片不一樣，它的“布線”也就是集成電路叫作“光波導(dǎo)”，簡(jiǎn)稱為“光布線”，它刻在芯片上，成為光子跑來(lái)跑去的跑道。至于這款使用了氮化硅（SiN）作為核心材料的可編程非線性光子芯片，是怎么實(shí)現(xiàn)“可編程”的，需要展開(kāi)講講。

02

芯片的可編程能力

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這款光子芯片能夠通過(guò)投射特定的光圖案來(lái)動(dòng)態(tài)修改芯片。

傳統(tǒng)光芯片的光波導(dǎo)“道路”和芯片“功能區(qū)”——也就是能過(guò)濾特定顏色的光柵，光柵需要在生產(chǎn)芯片時(shí)通過(guò)納米加工技術(shù)永久地刻在材料里，經(jīng)過(guò)光罩、蝕刻等工序后都是固定的，物理上無(wú)法更改。

而這款新光子芯片可以視作一個(gè)開(kāi)放的大平臺(tái)，底層核心當(dāng)然也有光波導(dǎo)，而且用的還是氮化硅這個(gè)目前非常熱門的材料。不過(guò)研究團(tuán)隊(duì)在這個(gè)光波導(dǎo)上面覆蓋了一層“光感應(yīng)層”，這個(gè)感應(yīng)層的材料也很特殊，名為富硅氮化物（SRN）。

光感應(yīng)層的變化過(guò)程

這個(gè)SRN平時(shí)是絕緣的，只有當(dāng)一些特定波長(zhǎng)的光照過(guò)來(lái)時(shí)，它會(huì)局部變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)。具體怎么來(lái)應(yīng)用這一特點(diǎn)？

首先研究團(tuán)隊(duì)要把整塊芯片通電，專業(yè)術(shù)語(yǔ)叫“施加偏壓”；然后再拿出樸實(shí)無(wú)華的投影儀，用綠光照射在光感應(yīng)層上，感應(yīng)層上立刻就能畫出相應(yīng)的導(dǎo)電區(qū)域；這時(shí)被綠光照到的地方全部“活”過(guò)來(lái)了，允許電場(chǎng)通過(guò)，并且滲透到底層核心材料區(qū)域，沒(méi)照到的區(qū)域依然保持絕緣狀態(tài)。

沖進(jìn)去的電場(chǎng)能直接改變芯片的物理特性，觸發(fā)了電場(chǎng)誘導(dǎo)非線性光學(xué)功能，在那個(gè)區(qū)域內(nèi)瞬間生成了一個(gè)虛擬的光學(xué)結(jié)構(gòu)。

這也就意味著，它們可以用光在芯片中“寫入”光路和光柵，并且通過(guò)精確控制進(jìn)入芯片的光圖案、改變光的空間分布或相位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)功能的“編程”。

這讓光芯片能夠像計(jì)算機(jī)芯片一樣，通過(guò)軟件或控制信號(hào)動(dòng)態(tài)地改變功能。就好比有了一個(gè)“萬(wàn)能水龍頭”，扭動(dòng)旋鈕，它就能流出咖啡、果汁或可樂(lè)，而不是像傳統(tǒng)水龍頭那樣，每個(gè)只會(huì)出一種飲料。

03

光子 vs 電子

“光芯片”優(yōu)勢(shì)

為什么我們要費(fèi)勁兒研究光芯片？為什么光子攜帶訊號(hào)比電子攜帶訊號(hào)好？這些問(wèn)題想必很多人是有疑惑的。

我們得從“光子”和“電子”這兩者的基本區(qū)別談起。在粒子物理學(xué)中，電子是費(fèi)米子，費(fèi)米子的特點(diǎn)就是不能同一個(gè)量子狀態(tài)，大家都很有個(gè)性，性質(zhì)類似的電子會(huì)把彼此彈開(kāi)，也就是說(shuō)，電子不能“重疊”，必須保持一定的“距離”。

這導(dǎo)致電子在電路中互相排斥。當(dāng)電子需要在一個(gè)狹窄的通道中流動(dòng)時(shí)，它們之間的排斥作用，類似人擠人時(shí)的推搡，會(huì)導(dǎo)致它們的流動(dòng)變得不那么順暢，能量也會(huì)浪費(fèi)掉?？偟膩?lái)說(shuō)，電子芯片不僅慢還容易產(chǎn)生能量損耗，這也是我們手機(jī)用久了發(fā)燙的主要原因之一。

而光子是玻色子，玻色子的特點(diǎn)是可以同一量子狀態(tài)重疊。這就像一群人可以非常和諧地站在一起，哪怕再小的通道，光子都能疊在一起輕松通過(guò)，而且它們會(huì)協(xié)同作用，共同向前移動(dòng)，不會(huì)互相排斥。

這是什么狀態(tài)？光子流動(dòng)時(shí)，幾乎沒(méi)有阻力，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)像電子那樣因?yàn)榕懦舛ハ唷巴妻?。而且光子傳播時(shí)幾乎不受材料阻礙，能量損失極小，這意味著光芯片可以非常高效地傳輸信息，再加上光子不產(chǎn)生電阻，所以不會(huì)因電阻而升溫。

你可以把電子想象成一個(gè)個(gè)非?！蔼?dú)立”的武林高手，每個(gè)人都只能單獨(dú)出招，而且出招時(shí)會(huì)把其他人推開(kāi)；而光子則像是一群“團(tuán)隊(duì)協(xié)作”的武林高手，大家齊心協(xié)力，出招時(shí)配合默契，能量直接傳遞給最前面的人，不會(huì)相互干擾，傳遞效率也更高。

具體來(lái)看，光子芯片的計(jì)算速度大概比電子芯片高3個(gè)數(shù)量級(jí)，而功耗僅為電子芯片的百分之一?？梢哉f(shuō)，相比于電子集成電路或電互聯(lián)技術(shù)，光芯片展現(xiàn)出了更低的傳輸損耗 、更寬的傳輸帶寬、更小的時(shí)間延遲，以及更強(qiáng)的抗電磁干擾能力。

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能的快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)于信息獲取與處理效率的需求持續(xù)攀升，但摩爾定律失效在即，這也是為什么硅光技術(shù)異軍突起，正憑借其在高傳輸速率、高能效比、超低延遲等方面的突出優(yōu)勢(shì)，成為半導(dǎo)體領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的另一條賽道。

04

重新定義光芯片尚需時(shí)日

既然明白了光芯片的優(yōu)勢(shì)，那就更應(yīng)該明白全球首個(gè)“可編程非線性光子芯片”的含金量。它不僅為光芯片領(lǐng)域帶來(lái)了更大的靈活性、降低了成本，還能提升生產(chǎn)效率。

傳統(tǒng)光芯片每個(gè)設(shè)備都有固定的功能，而這款可編程芯片能夠通過(guò)改變光圖案，來(lái)快速重構(gòu)不同的光學(xué)功能。一個(gè)芯片就能在不同的光學(xué)任務(wù)間切換，這多簡(jiǎn)便！

光子相對(duì)于電子有一定優(yōu)勢(shì)

既然不需要為每個(gè)光學(xué)功能都設(shè)計(jì)一個(gè)單獨(dú)的部件，這大大減少了設(shè)備的數(shù)量，降低了整體生產(chǎn)成本。再加上不需要大量專用制造步驟，生產(chǎn)過(guò)程也會(huì)更簡(jiǎn)便、精準(zhǔn)，也就提高了生產(chǎn)效率和良率——這可是芯片產(chǎn)業(yè)的盈利命脈。

不過(guò)現(xiàn)在的“可編程非線性光子芯片”只是個(gè)原型機(jī)，最大的問(wèn)題就是慢，換“招式”的頻率大概是一秒一次，想要真正應(yīng)用，至少要百倍的效率提升才夠。

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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