光学芯片，迈入可编程时代

可编程非线性波导的工作原理和功能图解。图片来源：《自然》（2025）。

康奈尔大学工程学院应用与工程物理学副教授彼得・麦克马洪（Peter McMahon）团队在《自然》（Nature）杂志发表一项突破性研究 —— 成功研制出全球首款可通过编程合并光子改变光颜色的光学芯片。该芯片无需为特定颜色组合单独设计新设备，仅通过电场调控与空间编程，即可实现灵活的光子频率转换，为经典通信、量子网络、全光信号处理等领域提供了通用型技术解决方案，也为非线性光子学的工程化应用打开了新窗口。

该研究的核心突破在于打破了传统非线性光学设备 “一功能一设计” 的局限。长期以来，非线性光学器件的应用受限于固定的材料特性与结构设计：若需实现红光与绿光合并产生紫光、或红外光转换为可见光等不同频率转换需求，科研人员必须针对每种场景定制芯片的晶体结构、光路布局与激发方式，不仅研发周期长达数月至数年，还需投入大量成本进行工艺调试。正如麦克马洪所言：“以前，对于想要产生的每一种颜色组合，你都需要制造一个设计不同的新设备。” 而此次康奈尔团队研发的可编程芯片，通过创新的技术融合，将这种 “定制化” 模式转变为 “通用可编程”，仅需调整外部控制参数，即可实现多种频率转换功能，大幅降低了非线性光学应用的门槛。

从技术原理来看，该芯片的创新源于两个跨领域技术的深度融合。第一个关键技术是 “电场调控非线性”：研究团队通过高压探针在芯片的晶体材料上施加局部强电场，使原本不具备非线性光学特性的区域被激活，而未施加电场的区域则保持线性稳定状态。这一设计突破了材料本身的特性限制 —— 传统非线性光学依赖特殊晶体（如铌酸锂、KTP 晶体），且其非线性效应无法动态调整，而该芯片通过电场 “开关” 式调控，可在同一材料上实现非线性区域与线性区域的精准划分，为光子相互作用提供了可控的物理环境。

第二个技术灵感则来自 20 年前生物医学领域的 “光场编程” 方法。当时研究人员通过设计特定图案的光场，在微流控芯片中实现对生物细胞的精准操纵。康奈尔团队的前博士后研究员、合著者洛根・赖特（Logan Wright）意识到，这一思路可迁移至光子设备设计：通过在芯片表面构建图案化的电极阵列，调控光场与电场的空间分布，进而 “编程” 晶体材料的非线性响应区域。“根据非线性光学理论，如果想要控制输出的颜色，就需要能够控制晶体非线性随空间的变化。” 麦克马洪解释道。两种技术的结合，使芯片具备了 “空间选择性激活” 与 “动态参数调整” 的双重能力，为灵活控制光子相互作用奠定了基础。

在设备结构设计上，该芯片采用 “平板波导” 作为核心光路载体。其主体是一块薄片状的晶体板，通过微纳加工工艺在晶体表面刻蚀出特定的光路通道，使入射光只能沿水平方向（左右）传播，无法在垂直方向（上下）扩散。这种结构的优势在于：一方面，光在波导内的传播路径被严格约束，大幅提升了光子的密度与相互作用概率，为非线性效应（如光子合并）提供了充足条件；另一方面，平板结构与现有半导体制造工艺兼容，便于后续集成到芯片封装中，降低了与光纤网络、量子芯片等设备的对接难度。实验中，研究人员将不同频率的激光注入波导后，通过调整电极阵列的电场分布，成功实现了多种颜色组合的转换 —— 例如将两个低能量的近红外光子合并为一个高能量的可见光光子，或通过调控光子相互作用的强度，改变输出光的频率比例。

康奈尔纳米科学技术设施（CNF）为该芯片的制造提供了关键支撑。该设施位于达菲尔德大厅，具备从光刻、刻蚀到薄膜沉积的全套微纳加工能力。研究团队的第二作者本杰明・阿什（Benjamin Ash，26 岁）在设备研发中发挥了核心作用，主导完成了芯片的结构设计、工艺参数调试与性能测试。据介绍，该芯片的制造流程需经过 12 道精密工序，其中电极阵列的线宽控制在 1 微米以下，电场调控的精度达到纳米级别，最终实现了 90% 以上的光子传播效率，为后续性能优化奠定了基础。

尽管目前该设备仍处于原理验证阶段，但其展现的应用潜力已覆盖多个关键领域。在经典通信网络中，该芯片可解决光纤传输中的 “波长适配” 难题。当前光纤网络通过 “波分复用” 技术，利用不同颜色的光在同一根光纤中传输数据，但不同设备（如服务器、路由器、基站）的光信号波长往往不统一，需通过多个固定波长转换器进行适配，增加了网络的复杂度与能耗。而可编程光学芯片可集成在光纤两端，根据实时需求动态调整光的波长，实现不同设备间的灵活通信，大幅简化网络架构。

在量子网络领域，该芯片的价值更为突出。量子比特的信息传递依赖特定频率的光子（如金刚石色心量子比特发射红光、硅量子比特发射近红外光），但不同量子比特的光子频率差异较大，难以直接实现跨系统通信。麦克马洪团队的芯片可作为 “量子波长转换器”，将不同量子比特发射的光子统一转换至电信波段（适合长距离传输），在接收端再转换回目标量子比特的频率，为构建跨平台量子网络提供了关键工具。“我们非常希望能够连接自然发射不同颜色光子的量子比特，” 麦克马洪表示，“如果能有一个设备能够将所有这些功能集成在一个封装中，感觉会是一个很有用的工具。”

此外，该技术在光谱学、传感与全光计算领域也具有应用前景。在光谱分析中，可编程频率转换可让单一探测器覆盖更宽的波长范围，降低检测设备的成本；在传感领域，通过调控光子与物质的相互作用频率，可提升对特定分子（如生物标志物、环境污染物）的检测灵敏度；而在全光计算中，该芯片可作为核心逻辑单元，通过光子合并、分裂实现 “与”“或” 等逻辑运算，摆脱电子器件的速度与能耗限制。

不过，该技术要实现商业化应用仍需突破关键瓶颈。当前芯片的光子转换效率约为 30%，远低于通信、量子领域所需的 90% 以上标准，如何通过优化电极设计、改进晶体材料纯度提升效率，是团队下一步的研究重点。同时，芯片的工作温度需控制在 - 20℃至 10℃之间，限制了其在常温环境下的应用，未来需通过材料改性或封装设计实现宽温域稳定运行。此外，芯片的集成度仍有提升空间 —— 目前单次仅能处理 2-3 个频率的光子，若需满足复杂网络需求，还需进一步缩小器件尺寸、增加并行处理通道。

尽管面临挑战，康奈尔大学的这项研究仍被业界视为非线性光子学领域的里程碑。它不仅提供了一种通用型的光子频率转换方案，更开创了 “可编程非线性光学” 的新方向 —— 通过外部调控而非固定结构实现功能切换，为光学设备的小型化、集成化与低成本化提供了新范式。随着转换效率的提升与工艺的成熟，该技术有望在未来 5-10 年内进入商用阶段，推动通信、量子计算、传感等领域的技术革新，也为全球光子芯片的研发竞争注入新的活力。