用光“畫”出芯片功能，光芯片界也有“瑞士軍刀”

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萬能光學“魔鏡”

傳統光學器件都是什么樣的？透鏡、分光器、濾光器等光學器件都需要精確的幾何結構（如表面光滑度、曲率等）和材料特性（如折射率、非線性特性等）來實現特定的功能，所以每種光學功能都依賴于不同的光學元件和設計。

比如透鏡要通過彎曲光線來聚焦光束；光纖耦合器則需要在精確的角度和尺寸上進行設計，以將光束從一根光纖導引到另一根光纖；調制器則是通過改變光的振幅、相位或頻率來調節信號……這也導致長期以來，光學器件是按照“一設備、一功能”的模式來設計。

有沒有可能，將這些光學功能全部集成于一塊小小的芯片？還真做到了。

光芯片的應用

近期日本基礎科學研究所NTT Research聯合康奈爾大學、斯坦福大學，成功研發出全球首款“可編程非線性光子芯片”，其成果已發表于《自然（Nature）》雜志。這項重大突破允許在單一芯片上，實現快速切換多種非線性光學功能，徹底顛覆了傳統光子器件“一設備、一功能”的設計范式。

光子芯片可跟我們常說的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”，簡稱為“光布線”，它刻在芯片上，成為光子跑來跑去的跑道。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，是怎么實現“可編程”的，需要展開講講。

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芯片的可編程能力

簡單來說，這款光子芯片能夠通過投射特定的光圖案來動態修改芯片。

傳統光芯片的光波導“道路”和芯片“功能區”——也就是能過濾特定顏色的光柵，光柵需要在生產芯片時通過納米加工技術永久地刻在材料里，經過光罩、蝕刻等工序后都是固定的，物理上無法更改。

而這款新光子芯片可以視作一個開放的大平臺，底層核心當然也有光波導，而且用的還是氮化硅這個目前非常熱門的材料。不過研究團隊在這個光波導上面覆蓋了一層“光感應層”，這個感應層的材料也很特殊，名為富硅氮化物（SRN）。

光感應層的變化過程

這個SRN平時是絕緣的，只有當一些特定波長的光照過來時，它會局部變為導電狀態。具體怎么來應用這一特點？

首先研究團隊要把整塊芯片通電，專業術語叫“施加偏壓”；然后再拿出樸實無華的投影儀，用綠光照射在光感應層上，感應層上立刻就能畫出相應的導電區域；這時被綠光照到的地方全部“活”過來了，允許電場通過，并且滲透到底層核心材料區域，沒照到的區域依然保持絕緣狀態。

沖進去的電場能直接改變芯片的物理特性，觸發了電場誘導非線性光學功能，在那個區域內瞬間生成了一個虛擬的光學結構。

這也就意味著，它們可以用光在芯片中“寫入”光路和光柵，并且通過精確控制進入芯片的光圖案、改變光的空間分布或相位，進而實現對光學功能的“編程”。

這讓光芯片能夠像計算機芯片一樣，通過軟件或控制信號動態地改變功能。就好比有了一個“萬能水龍頭”，扭動旋鈕，它就能流出咖啡、果汁或可樂，而不是像傳統水龍頭那樣，每個只會出一種飲料。

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光子 vs 電子

“光芯片”優勢

為什么我們要費勁兒研究光芯片？為什么光子攜帶訊號比電子攜帶訊號好？這些問題想必很多人是有疑惑的。

我們得從“光子”和“電子”這兩者的基本區別談起。在粒子物理學中，電子是費米子，費米子的特點就是不能同一個量子狀態，大家都很有個性，性質類似的電子會把彼此彈開，也就是說，電子不能“重疊”，必須保持一定的“距離”。

這導致電子在電路中互相排斥。當電子需要在一個狹窄的通道中流動時，它們之間的排斥作用，類似人擠人時的推搡，會導致它們的流動變得不那么順暢，能量也會浪費掉。總的來說，電子芯片不僅慢還容易產生能量損耗，這也是我們手機用久了發燙的主要原因之一。

而光子是玻色子，玻色子的特點是可以同一量子狀態重疊。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，而且它們會協同作用，共同向前移動，不會互相排斥。

這是什么狀態？光子流動時，幾乎沒有阻力，因為它們不會像電子那樣因為排斥而互相“推搡”。而且光子傳播時幾乎不受材料阻礙，能量損失極小，這意味著光芯片可以非常高效地傳輸信息，再加上光子不產生電阻，所以不會因電阻而升溫。

你可以把電子想象成一個個非常“獨立”的武林高手，每個人都只能單獨出招，而且出招時會把其他人推開；而光子則像是一群“團隊協作”的武林高手，大家齊心協力，出招時配合默契，能量直接傳遞給最前面的人，不會相互干擾，傳遞效率也更高。

具體來看，光子芯片的計算速度大概比電子芯片高3個數量級，而功耗僅為電子芯片的百分之一。可以說，相比于電子集成電路或電互聯技術，光芯片展現出了更低的傳輸損耗 、更寬的傳輸帶寬、更小的時間延遲，以及更強的抗電磁干擾能力。

隨著云計算、大數據、人工智能的快速發展，社會對于信息獲取與處理效率的需求持續攀升，但摩爾定律失效在即，這也是為什么硅光技術異軍突起，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勢，成為半導體領域競爭的另一條賽道。

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重新定義光芯片尚需時日

既然明白了光芯片的優勢，那就更應該明白全球首個“可編程非線性光子芯片”的含金量。它不僅為光芯片領域帶來了更大的靈活性、降低了成本，還能提升生產效率。

傳統光芯片每個設備都有固定的功能，而這款可編程芯片能夠通過改變光圖案，來快速重構不同的光學功能。一個芯片就能在不同的光學任務間切換，這多簡便！

光子相對于電子有一定優勢

既然不需要為每個光學功能都設計一個單獨的部件，這大大減少了設備的數量，降低了整體生產成本。再加上不需要大量專用制造步驟，生產過程也會更簡便、精準，也就提高了生產效率和良率——這可是芯片產業的盈利命脈。

不過現在的“可編程非線性光子芯片”只是個原型機，最大的問題就是慢，換“招式”的頻率大概是一秒一次，想要真正應用，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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