无电光控！柔性光子新突破

光子器件以光而非电作为传输载体，有望比如今的电子设备运算速度更快、能效更高。这类器件还为柔性材料的应用创造了独特机遇，聚合物、凝胶等柔性材料导电性差，但加工难度更低、环境友好性更强。不过，想要研发出这类质地柔软、可弯折的柔性光子器件，就必须实现以光控光，完全摆脱电力驱动。

在此之前，柔性材料领域的光控手段，主要依靠改变光学材料的物理特性，或是利用强脉冲光来调整光路方向。如今，一支国际科研团队研发出了全新的以光控光技术：仅需弱光，且无需改动材料的任何物理属性。

该项目负责人、卢布尔雅那大学物理学教授伊戈尔·穆舍维奇表示，这项装置的研发灵感，源于他在旧金山一场学术会议上的见闻。当时，斯特凡·W·赫尔发表了一场关于受激发射损耗显微镜（STED） 的报告。这项成像技术曾助力赫尔斩获2014年诺贝尔化学奖，它通过双激光汇聚成极细光束，实现物体扫描成像。穆舍维奇回忆道：“听完报告我立刻意识到，这本质上就是以光控光，不是吗？”

受此启发，他的团队研发出一款新型装置：向设备发射一束激光脉冲后，这束光能否成功射出，完全取决于一纳秒内是否发射第二束激光脉冲。

液晶光子开关

该核心装置的核心是一颗球形液晶微珠，依靠材料弹性与分子间作用力维持形态；微珠内掺入荧光染料，被四个立式锥形聚合物结构夹持固定，这些聚合物结构负责光线的导入与导出。

当激光脉冲通过任意一处聚合物波导射入时，光线会迅速进入液晶并激发荧光染料。借助回音壁模式共振效应，液晶内部的光子每次接触球形界面都会被向内反射，从而在腔体中循环传输，最终折射至某条波导，以激光束的形式向外射出。

研究团队发现，在第一束激光激发液晶发光前，向波导射入一束不同颜色的二次激光脉冲，就能让受激染料分子产生受激发射。

二次激光脉冲需在首束激光之后发射，其光子会与已被激发的染料分子发生相互作用：促使染料释放出与二次激光性质完全一致的光子，同时消耗首束激光的能量。

这一过程会放大二次激光（即STED调控光束），而首束激光的能量被大幅削弱，最终完全无法射出。

通过第二束激光精准控制第一束激光的输出状态，团队就此成功实现了纯光控光。

卢布尔雅那大学的研究团队指出，这套液晶光控方案的能效，远优于以往的柔性材料光控技术。传统方案往往需要高强度光场，改变柔性材料的折射率等物理属性；而全新技术的能耗直接降低百倍以上。得益于STED调控光束可在液晶内反复循环，单个光子就能消耗大量染料分子储存的首束激光能量，进一步缩减能耗。

参与该研究的同校理论物理学家米哈·拉夫尼克解释道，以光控光是打造柔性光子逻辑门的关键。

“我们可以精准控制光线的产生时机与传播方向，”他在介绍聚合物波导的控光原理时说道，“这也让利用光线实现逻辑运算成为可能。”

穆舍维奇补充表示，除了在光子逻辑电路领域的应用潜力外，这款柔性光子器件相比硅基等硬质光子器件，还具备多重技术优势：柔性材料极大简化了生产流程，装置中的液晶微珠可在一秒内完成装填，而硬质材料打造同款结构难度极高；同时，柔性器件的生产所需温度远低于硅基材料，生产门槛更低；不仅如此，柔性材料还为器件结构设计提供了更多可能性。

“借助液晶，我们可以打造各式各样的光学谐振腔，”穆舍维奇说，“简单来讲，它给工程设计留下了极大的发挥空间。”拉夫尼克十分看好这项科研突破的前景，认为这是迈向光子计算、乃至光子神经网络的重要一步。但他也坦言，这类技术的大规模落地仍遥遥无期。

他坦言：“现阶段，这项技术完全无法媲美现有神经网络的应用方案。”

尽管如此，其发展潜力依旧令人憧憬：理论预测下，该技术能量损耗极低，运算速度也将达到全新高度。