全球首創可編程非線性光子波導問世，單晶片多功能推動量子與通訊革命

10 月 8 日，位於加州森尼韋爾的 NTT Research, Inc. 宣布其物理與資訊實驗室（PHI Lab）與康乃爾大學和史丹佛大學合作，成功開發出全球首個可編程的非線性光子波導，該波導能在單一晶片上切換多種非線性光學功能。這一創新顛覆了傳統的「一個設備、一個功能」模式，顯著擴展了可調光源、光學和量子計算及通訊的應用範圍。

NTT Research的科學家Ryotatsu Yanagimoto在康乃爾大學副教授Peter L. McMahon的指導下進行了這項研究。相關論文《可編程的片上非線性光子學》於今年10月8日在線上發表於《自然》期刊，並將於今年11月13日印刷出版。

Yanagimoto表示：「這些結果標誌著非線性光學的傳統範式的轉變，設備功能不再在製造過程中固定，這使得非線性光子學的應用擴展到快速重構和高產量至關重要的情況。」他指出，這個技術為大規模光學電路、可重構的量子頻率轉換、任意光波形合成器及廣泛可調的經典和量子光源的應用開創了新的可能性，這些都是推動先進計算和通訊基礎設施的關鍵。

傳統的光子設備遵循「一個設備、一個功能」的模式，這意味著每個光學元件只能執行一個預定的任務，這種限制要求製造商為不同功能製造獨立設備，增加了成本和複雜性，並因製造錯誤而降低了產量。

然而，NTT Research及其合作夥伴開發的可編程非線性波導使用了矽氮化物核心，其非線性可以透過結構化光模式動態修改。當編程光投射到設備上時，會產生特定的光學非線性模式，決定設備的功能。不同的光模式使得在同一物理晶片上實現不同的非線性光學功能，並且可以快速重新配置。

研究人員成功演示了任意脈衝整形、廣泛可調的二次諧波生成、全息生成的空間─光譜結構光以及對非線性光學功能的即時逆設計，這些都能有效抵抗製造錯誤和環境變化。

根據IDTechEx的報告，光子集成電路技術市場預計在未來十年內將顯著增長，至2035年預計將超過500億美元的收入，涵蓋數據通訊、5G電信、量子技術、感測器和LiDAR等市場。

這項技術在多個高增長市場中顯示出特別的潛力，包括量子計算，因為可編程的量子頻率轉換器和量子光源能夠實現更靈活的計算架構和改進的量子網絡能力。在電信領域，廣泛可調的光源和任意波形發生器能夠增強5G和6G基礎設施及光通訊系統。

此外，這項技術在先進製造和成像中也有實際應用，編程的結構化光源能夠實現更高的精度和適應性。科學儀器方面，即時可重構的光學系統可能改善實驗室設備和測量儀器的性能。

展望未來，這項工作可能會朝幾個方向發展。首先，這項技術可以用來「增強」現有光子設備中的可編程非線性，透過利用其與原始功能的相互作用來設計新功能。其次，這項工作利用了一種相對未被探索的物理效應──電場誘導的非線性，來實現可編程非線性，但其潛力尚未完全發揮；進一步的材料探索可能會顯著擴展這項技術的範疇。最後，目前的演示僅限於經典的非線性光學功能，若能展示可編程的量子功能，將對該領域產生重大影響。

NTT Research的PHI Lab專注於量子物理和腦科學的基本原理下的計算研究，同時開發硬體和軟體。這項工作顯示，非線性光子學的可擴展性、靈活性和可編程性遠超過我們以往的認知。