新型光子芯片，实时拆分部分相干光

部分相干光通常被视作干扰，但它有望支撑下一代显微镜，以及天体物理、卫星通信等众多应用。斯坦福大学与奥地利科学技术研究所（ISTA）的研究人员研发出一款芯片，能够自动把部分相干光拆分成多束独立分量，相当于对光进行 “回收利用”。

激光的问世推动了诸多技术进步，包括计算与光通信。这类技术依赖特定波长的激光，光波步调一致，该特性称为相干性。与之相对，非相干光由相位无固定关联的多种光波混合而成。

奥地利科学技术研究所（ISTA）助理教授Charles Roques-Carmes表示：“和激光不同，绝大多数光源发出的光都只是部分相干光。虽然十分常见，但在技术领域里，部分相干光往往被当成一种缺陷。不过，光学信息处理与显微技术想要进一步发展，很可能需要可以测量、处理部分相干光的工具，甚至把它当作一种可用资源。”

这项研究发表于《自然・光子学》，论文标题为《Automatic on-chip separation of partially coherent light into its mutually incoherent components》。Roques-Carmes与斯坦福大学的合作者开发了这套片上自动系统，用于拆分部分相干光，提取各个模式分量。研究主要在斯坦福大学开展，Roques-Carmes和当时的研究生Paul-Alexis Mor启动该项目，Paul-Alexis Mor如今是论文共同一作。之后Roques-Carmes在奥地利科学技术研究所组建课题组，Paul-Alexis Mor也随他继续推进这项研究。

该成果有望为新型显微技术打下基础，这款芯片技术的应用范围十分广泛，覆盖计算、卫星通信等领域。

如同掷骰子？

两束光之间的相干性，可以借助统计学来理解。Mor说：“研究相干光、非相干光特性的一种思路，就是看统计相关性，类似掷两枚骰子。如果一枚骰子的结果会影响另一枚，二者就是相关的。在这个类比里，相关的光就是相干光，不相关的光就是非相干光。而部分相干光，则介于两者之间，存在一定程度的统计相关性。”

Mor、Roques-Carmes及其团队目标是打造一套片上系统，精准测量这类相关性。他们重点研究空间相干性，也就是同一束光内不同位置之间，光相位的关联一致性。这套方案可在大量科技领域落地。Roques-Carmes说：“我们这项技术的研发，得益于芯片产业的成熟配套。”

产业先行，应用后至

长期以来，部分相干光大多被认为会带来负面影响，把它作为计算资源的思路还很少被探索。成熟的芯片制造能力，让这套全新光子系统得以实现。光子芯片集成多项技术，包含集成电路的设计、制造与封装，也就是在硅这类半导体材料上光刻出微型电子与光子器件。硅基芯片制造工艺本身已经十分成熟。

Roques-Carmes表示：“这是少见的硬件产业走在应用前面的案例。得益于光子芯片产业的进步，我们现在可以在仅几平方毫米的单颗芯片上集成数百个光学器件。如果用传统光学器件实现同等功能，需要在光学平台上排布数百面反射镜和其他元件，这套系统的光路校准与稳定难度极高，甚至很难实现。”

光的回收

团队设计并制备了可重构光子芯片，配套开发电路，将芯片安装在印制电路板上，同时结合实验光路与自主控制算法。

芯片采用两层自配置网络架构，内置马赫 - 曾德尔干涉仪。这类干涉仪依靠无源分束器，把光分到两条独立光路，是这套技术的核心器件。当来自两台独立激光器的紫外光束叠加进入芯片，会生成部分相干光；芯片对其处理，拆分出各个分量光束。Roques-Carmes说：“芯片可以感知输入光的相干特性，自动识别输入光由多束分量组成。”

Mor补充道：“光在光子线路中传输时，芯片会实时把光拆分成各个分量，相当于把光‘回收’，从不同端口输出。” 这套实验甚至可以在普通照明的室内环境中完成。

用好每一个光子

这款光子芯片的应用前景广阔，卫星通信是其中一个方向：激光信号穿过地球大气层传输，就会遇到这类场景。

激光在光源处是相干光，但大气湍流会降低相干性，信号抵达卫星探测器时已经变成部分相干光。该技术可以帮助卫星探测器解析这类部分相干信号。

Roques-Carmes在6月于奥地利科学技术研究所成立课题组之后，由Mor牵头在研究所继续迭代这项技术。团队目前正在探索该光子芯片在显微与成像领域的应用，重点针对微弱光信号的高速处理。

Roques-Carmes说：“我们正在流片新一代芯片，后续会在奥地利科学技术研究所搭建测试系统。我们希望芯片尽可能高效，用好每一个光子。试想观测宇宙中遥远天体，这类天体发出的光极其微弱。我们希望这款芯片能帮助天文学家，仅凭少量光子获取信息，例如测量恒星直径、探测系外行星。”

Mor说：“我们计划开发规模更大、速度更快、支持更多模式的芯片，同时拓展新应用，和研究所的生物学家深度合作，开发新型显微镜。”