新型光子开关，能效提升百倍

依靠光进行工作的光子器件，有望比现有电子器件速度更快、能效更高。这类器件还为采用聚合物、凝胶等柔性材料研发器件提供了独特契机，这些材料导电性能不佳，但更易制造，也更环保。不过，要开发这类可弯曲、高柔性的光子器件，必须实现仅用光来操控光，而非依赖电信号。

在软物质领域，此前实现光控光的主要方式，是改变光学材料的物理特性，或是利用强激光脉冲改变光的传播方向。如今，一支国际科研团队研发出一种全新方法：仅需极低光强即可实现光控光，且无需改变材料的任何物理性质。

该项目负责人、卢布尔雅那大学物理学教授Igor Muševič表示，他最初是在旧金山的一场会议上，听取Stefan W. Hell关于受激辐射损耗（STED）显微技术的报告时，萌生了这款器件的设计思路。Hell正是凭借这项成像技术荣获2014年诺贝尔化学奖，该技术利用两束激光形成极细光束对物体进行扫描。“看到这项技术时我就想，这不就是用光来操控光吗？”Igor Muševič回忆道。

这一灵感最终催生出一款新型器件：向其射入一束激光脉冲后，这束光能否从器件中射出，取决于在不到一纳秒内是否发射第二束脉冲。

液晶光子开关

该器件核心为一颗球形液晶微珠，依靠材料弹性与分子间作用力维持形态，内部掺入荧光染料，并被四个直立锥形聚合物结构夹持，用于引导光进出器件。当激光脉冲通过四条聚合物波导中的一条射入时，光线会迅速传入液晶，激发荧光染料。在回音壁模式共振效应下，液晶内部的光子每次撞击球形界面都会被反射回内部，最终在腔内循环，直至被反射至某条波导，并以激光束形式射出。

研究团队发现，若在液晶开始释放第一束激光脉冲的光之前，向波导射入另一波长不同的激光脉冲，就会引发被激发的染料分子产生受激辐射。第二束脉冲需在第一束之后射入波导，其光子会与已被激发的染料分子相互作用，促使染料释放与第二束脉冲完全相同的光子，同时消耗第一束脉冲的能量。这束被称为 STED 光束的第二束激光会因此被放大，而第一束脉冲的光则大幅衰减，最终完全无法射出。由于第二束激光脉冲可控制第一束脉冲的输出结果，团队成功实现了光控光。

卢布尔雅那大学团队表示，这种液晶方案的能效远优于以往的软物质技术。传统方法通常需要借助强光场改变软物质的折射率等材料特性，而新方法将所需能量降低了百倍以上。由于 STED 激光脉冲会在液晶内部反复循环，单个光子就能消耗大量染料分子从第一束脉冲中获取的能量。

同样参与该项目的卢布尔雅那大学理论物理学家Miha Ravnik解释称，光控光对于软物质光子逻辑门至关重要。“你可以精准控制光产生的时间与传播方向，” 谈及射入聚合物波导的光线时，Miha Ravnik 说道，“这就赋予了你用光实现逻辑运算的能力。”

Igor Muševič表示，除了在光子逻辑电路中的应用潜力，该方案相比硅基或其他硬质材料光子器件还具备多项技术优势。例如，软物质的使用大幅简化了制造流程：团队器件中的液晶可在一秒内完成注入，而用硬质材料制作同类结构则难度极高。此外，软物质器件的制备温度远低于硅等硬质材料。他还指出，软物质为器件的几何结构设计提供了更多实验空间。利用液晶 “可以制作多种不同类型的谐振腔”，Igor Muševič说，“可以说，工程设计空间十分广阔。”

Miha Ravnik 对这一突破的应用前景倍感振奋，尤其认为它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，相关应用仍十分遥远。“这项技术目前完全无法与现有的神经网络实现方式竞争。” 尽管如此，其潜力依旧极具吸引力：“预计能量损耗极低，运算速度也将极快。”