用光“画”出芯片功能，光芯片界也有“瑞士军刀”

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万能光学“魔镜”

传统光学器件都是什么样的？透镜、分光器、滤光器等光学器件都需要精确的几何结构（如表面光滑度、曲率等）和材料特性（如折射率、非线性特性等）来实现特定的功能，所以每种光学功能都依赖于不同的光学元件和设计。

比如透镜要通过弯曲光线来聚焦光束；光纤耦合器则需要在精确的角度和尺寸上进行设计，以将光束从一根光纤导引到另一根光纤；调制器则是通过改变光的振幅、相位或频率来调节信号……这也导致长期以来，光学器件是按照“一设备、一功能”的模式来设计。

有没有可能，将这些光学功能全部集成于一块小小的芯片？还真做到了。

光芯片的应用

近期日本基础科学研究所NTT Research联合康奈尔大学、斯坦福大学，成功研发出全球首款“可编程非线性光子芯片”，其成果已发表于《自然（Nature）》杂志。这项重大突破允许在单一芯片上，实现快速切换多种非线性光学功能，彻底颠覆了传统光子器件“一设备、一功能”的设计范式。

光子芯片可跟我们常说的CPU这类跑“电”的电子芯片不一样，它的“布线”也就是集成电路叫作“光波导”，简称为“光布线”，它刻在芯片上，成为光子跑来跑去的跑道。至于这款使用了氮化硅（SiN）作为核心材料的可编程非线性光子芯片，是怎么实现“可编程”的，需要展开讲讲。

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芯片的可编程能力

简单来说，这款光子芯片能够通过投射特定的光图案来动态修改芯片。

传统光芯片的光波导“道路”和芯片“功能区”——也就是能过滤特定颜色的光栅，光栅需要在生产芯片时通过纳米加工技术永久地刻在材料里，经过光罩、蚀刻等工序后都是固定的，物理上无法更改。

而这款新光子芯片可以视作一个开放的大平台，底层核心当然也有光波导，而且用的还是氮化硅这个目前非常热门的材料。不过研究团队在这个光波导上面覆盖了一层“光感应层”，这个感应层的材料也很特殊，名为富硅氮化物（SRN）。

光感应层的变化过程

这个SRN平时是绝缘的，只有当一些特定波长的光照过来时，它会局部变为导电状态。具体怎么来应用这一特点？

首先研究团队要把整块芯片通电，专业术语叫“施加偏压”；然后再拿出朴实无华的投影仪，用绿光照射在光感应层上，感应层上立刻就能画出相应的导电区域；这时被绿光照到的地方全部“活”过来了，允许电场通过，并且渗透到底层核心材料区域，没照到的区域依然保持绝缘状态。

冲进去的电场能直接改变芯片的物理特性，触发了电场诱导非线性光学功能，在那个区域内瞬间生成了一个虚拟的光学结构。

这也就意味着，它们可以用光在芯片中“写入”光路和光栅，并且通过精确控制进入芯片的光图案、改变光的空间分布或相位，进而实现对光学功能的“编程”。

这让光芯片能够像计算机芯片一样，通过软件或控制信号动态地改变功能。就好比有了一个“万能水龙头”，扭动旋钮，它就能流出咖啡、果汁或可乐，而不是像传统水龙头那样，每个只会出一种饮料。

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光子 vs 电子

“光芯片”优势

为什么我们要费劲儿研究光芯片？为什么光子携带讯号比电子携带讯号好？这些问题想必很多人是有疑惑的。

我们得从“光子”和“电子”这两者的基本区别谈起。在粒子物理学中，电子是费米子，费米子的特点就是不能同一个量子状态，大家都很有个性，性质类似的电子会把彼此弹开，也就是说，电子不能“重叠”，必须保持一定的“距离”。

这导致电子在电路中互相排斥。当电子需要在一个狭窄的通道中流动时，它们之间的排斥作用，类似人挤人时的推搡，会导致它们的流动变得不那么顺畅，能量也会浪费掉。总的来说，电子芯片不仅慢还容易产生能量损耗，这也是我们手机用久了发烫的主要原因之一。

而光子是玻色子，玻色子的特点是可以同一量子状态重叠。这就像一群人可以非常和谐地站在一起，哪怕再小的通道，光子都能叠在一起轻松通过，而且它们会协同作用，共同向前移动，不会互相排斥。

这是什么状态？光子流动时，几乎没有阻力，因为它们不会像电子那样因为排斥而互相“推搡”。而且光子传播时几乎不受材料阻碍，能量损失极小，这意味着光芯片可以非常高效地传输信息，再加上光子不产生电阻，所以不会因电阻而升温。

你可以把电子想象成一个个非常“独立”的武林高手，每个人都只能单独出招，而且出招时会把其他人推开；而光子则像是一群“团队协作”的武林高手，大家齐心协力，出招时配合默契，能量直接传递给最前面的人，不会相互干扰，传递效率也更高。

具体来看，光子芯片的计算速度大概比电子芯片高3个数量级，而功耗仅为电子芯片的百分之一。可以说，相比于电子集成电路或电互联技术，光芯片展现出了更低的传输损耗 、更宽的传输带宽、更小的时间延迟，以及更强的抗电磁干扰能力。

随着云计算、大数据、人工智能的快速发展，社会对于信息获取与处理效率的需求持续攀升，但摩尔定律失效在即，这也是为什么硅光技术异军突起，正凭借其在高传输速率、高能效比、超低延迟等方面的突出优势，成为半导体领域竞争的另一条赛道。

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重新定义光芯片尚需时日

既然明白了光芯片的优势，那就更应该明白全球首个“可编程非线性光子芯片”的含金量。它不仅为光芯片领域带来了更大的灵活性、降低了成本，还能提升生产效率。

传统光芯片每个设备都有固定的功能，而这款可编程芯片能够通过改变光图案，来快速重构不同的光学功能。一个芯片就能在不同的光学任务间切换，这多简便！

光子相对于电子有一定优势

既然不需要为每个光学功能都设计一个单独的部件，这大大减少了设备的数量，降低了整体生产成本。再加上不需要大量专用制造步骤，生产过程也会更简便、精准，也就提高了生产效率和良率——这可是芯片产业的盈利命脉。

不过现在的“可编程非线性光子芯片”只是个原型机，最大的问题就是慢，换“招式”的频率大概是一秒一次，想要真正应用，至少要百倍的效率提升才够。

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编辑｜张毅

主编｜黎坤

总编辑｜吴新

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