用光“畫”出晶片功能，光晶片界也有“瑞士軍刀”

2025/11/03

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傳統光學器件都是什麼樣的？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於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；調製器則是通過改變光的振幅、相位或頻率來調節訊號……這也導致長期以來，光學器件是按照“一裝置、一功能”的模式來設計。

有沒有可能，將這些光學功能全部整合於一塊小小的晶片？還真做到了。

光晶片的應用

近期日本基礎科學研究所NTT Research聯合康奈爾大學、史丹佛大學，成功研發出全球首款“可程式設計非線性光子晶片”，其成果已發表於《自然（Nature）》雜誌。這項重大突破允許在單一晶片上，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“一裝置、一功能”的設計範式。

光子晶片可跟我們常說的CPU這類跑“電”的電子晶片不一樣，它的“布線”也就是積體電路叫作“光波導”，簡稱為“光布線”，它刻在晶片上，成為光子跑來跑去的跑道。至於這款使用了氮化矽（SiN）作為核心材料的可程式設計非線性光子晶片，是怎麼實現“可程式設計”的，需要展開講講。

簡單來說，這款光子晶片能夠通過投射特定的光圖案來動態修改晶片。

傳統光晶片的光波導“道路”和晶片“功能區”——也就是能過濾特定顏色的光柵，光柵需要在生產晶片時通過奈米加工技術永久地刻在材料裡，經過光罩、蝕刻等工序後都是固定的，物理上無法更改。

而這款新光子晶片可以視作一個開放的大平台，底層核心當然也有光波導，而且用的還是氮化矽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，名為富矽氮化物（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。具體怎麼來應用這一特點？

首先研究團隊要把整塊晶片通電，專業術語叫“施加偏壓”；然後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，並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。

衝進去的電場能直接改變晶片的物理特性，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，它們可以用光在晶片中“寫入”光路和光柵，並且通過精確控制進入晶片的光圖案、改變光的空間分佈或相位，進而實現對光學功能的“程式設計”。

這讓光晶片能夠像電腦晶片一樣，通過軟體或控制訊號動態地改變功能。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。

為什麼我們要費勁兒研究光晶片？為什麼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麼順暢，能量也會浪費掉。總的來說，電子晶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，那怕再小的通道，光子都能疊在一起輕鬆通過，而且它們會協同作用，共同向前移動，不會互相排斥。

這是什麼狀態？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，這意味著光晶片可以非常高效地傳輸資訊，再加上光子不產生電阻，所以不會因電阻而升溫。

你可以把電子想像成一個個非常“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，光子晶片的計算速度大概比電子晶片高3個數量級，而功耗僅為電子晶片的百分之一。可以說，相比於電子積體電路或電互聯技術，光晶片展現出了更低的傳輸損耗、更寬的傳輸頻寬、更小的時間延遲，以及更強的抗電磁干擾能力。

隨著雲端運算、巨量資料、人工智慧的快速發展，社會對於資訊獲取與處理效率的需求持續攀升，但摩爾定律失效在即，這也是為什麼矽光技術異軍突起，正憑藉其在高傳輸速率、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。

既然明白了光晶片的優勢，那就更應該明白全球首個“可程式設計非線性光子晶片”的含金量。它不僅為光晶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。

傳統光晶片每個裝置都有固定的功能，而這款可程式設計晶片能夠通過改變光圖案，來快速重構不同的光學功能。一個晶片就能在不同的光學任務間切換，這多簡便！

光子相對於電子有一定優勢

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

不過現在的“可程式設計非線性光子晶片”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。 (壹零社)