日本電信電話株式會(huì)社（NTT）旗下NTT Research公司宣布，其物理與信息學(xué)（PHI）實(shí)驗(yàn)室與康奈爾大學(xué)、斯坦福大學(xué)合作，成功研發(fā)出全球首款可編程非線性光子波導(dǎo)。該芯片能實(shí)現(xiàn)多種非線性光學(xué)功能的動(dòng)態(tài)切換，從根本上改變了非線性光子器件的運(yùn)行方式，突破了"單設(shè)備單功能"的傳統(tǒng)范式，顯著拓展了可調(diào)諧光源、光學(xué)與量子計(jì)算及通信領(lǐng)域的應(yīng)用空間。

這項(xiàng)研究由NTT Research科學(xué)家柳本凌松在康奈爾大學(xué)副教授Peter L. McMahon指導(dǎo)下主導(dǎo)完成。題為《片上可編程非線性光子學(xué)》的論文已于2025年10月8日獲國(guó)際權(quán)威期刊《自然》在線發(fā)表，并將于2025年11月13日刊登于紙質(zhì)版《自然》期刊。

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圖1.展示了由NTT Research與康奈爾大學(xué)、斯坦福大學(xué)科學(xué)家共同打造的概念驗(yàn)證可編程非線性溝道波導(dǎo)示意圖。小圖所示為實(shí)際器件圖片。

Yanagimoto表示："這項(xiàng)成果突破了非線性光學(xué)器件功能在制造時(shí)即被固定的傳統(tǒng)范式。對(duì)于需要快速器件重構(gòu)和高良品率的應(yīng)用場(chǎng)景而言，這項(xiàng)技術(shù)不僅帶來(lái)便利，更是不可或缺的突破。我們首次為非線性光學(xué)技術(shù)開(kāi)辟了通往大規(guī)模光路、可重構(gòu)量子頻率轉(zhuǎn)換、任意光學(xué)波形合成器及寬調(diào)諧經(jīng)典/量子光源的應(yīng)用路徑——這些均是構(gòu)建先進(jìn)計(jì)算與通信基礎(chǔ)設(shè)施的核心要素。"

突破傳統(tǒng)光子器件范式

傳統(tǒng)光子器件遵循"單設(shè)備單功能"原則，每個(gè)光學(xué)元件的功能在制造階段就已固定。這種局限性迫使制造商需為不同功能分別生產(chǎn)專用器件，不僅增加成本與復(fù)雜度，更因制造誤差導(dǎo)致良品率下降。而NTT Research與合作團(tuán)隊(duì)研發(fā)的可編程非線性波導(dǎo)（圖1）采用氮化硅核芯，其非線性特性可通過(guò)結(jié)構(gòu)光圖案動(dòng)態(tài)調(diào)控。當(dāng)編程光投射至器件時(shí)，會(huì)形成特定的光學(xué)非線性分布，從而定義器件功能。同一物理芯片能通過(guò)不同光圖案快速重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多種非線性光學(xué)功能。

研究人員利用該新型器件成功演示了多項(xiàng)創(chuàng)新功能：任意脈沖整形、寬調(diào)諧二次諧波產(chǎn)生、空譜結(jié)構(gòu)光全息生成，以及對(duì)抗制造誤差與環(huán)境漂移的非線性光學(xué)功能實(shí)時(shí)逆向設(shè)計(jì)。

先進(jìn)光子技術(shù)的跨行業(yè)影響

據(jù)IDTechEx預(yù)測(cè)，光子集成電路技術(shù)市場(chǎng)將在未來(lái)十年呈現(xiàn)顯著增長(zhǎng)，到2035年整體市場(chǎng)規(guī)模（含數(shù)據(jù)通信、5G電信、量子技術(shù)、傳感器與激光雷達(dá)等領(lǐng)域）將突破500億美元。此項(xiàng)研究成果有望解決光子產(chǎn)業(yè)面臨的多個(gè)關(guān)鍵難題：

成本削減：企業(yè)可用單一可編程芯片替代多個(gè)專用器件，研發(fā)與生產(chǎn)成本有望實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)降低

良品率提升：制造后編程功能意味著可修正制造缺陷，大幅提高生產(chǎn)效率，這對(duì)良品率要求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的大規(guī)模光路制造至關(guān)重要

空間與能效優(yōu)化：多功能集成器件顯著縮小光學(xué)系統(tǒng)占用空間并降低復(fù)雜度

該技術(shù)在多個(gè)高增長(zhǎng)市場(chǎng)展現(xiàn)應(yīng)用潛力：量子計(jì)算領(lǐng)域可編程量子頻率轉(zhuǎn)換器與量子光源有望實(shí)現(xiàn)更靈活的計(jì)算架構(gòu)；通信領(lǐng)域?qū)捳{(diào)諧光源與任意波形發(fā)生器將增強(qiáng)5G/6G基礎(chǔ)設(shè)施性能；先進(jìn)制造與成像領(lǐng)域可編程結(jié)構(gòu)光源可提升加工精度；科學(xué)儀器領(lǐng)域?qū)崟r(shí)可重構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)將推動(dòng)測(cè)量設(shè)備升級(jí)。

未來(lái)展望

該研究存在三大演進(jìn)方向：首先，現(xiàn)有技術(shù)可擴(kuò)展至各類光子器件，通過(guò)非線性編程與原生功能的交互產(chǎn)生新興特性；其次，本研究利用電場(chǎng)誘導(dǎo)非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)可編程功能，該物理效應(yīng)的完整潛力仍有待挖掘；最后，當(dāng)前演示集中于經(jīng)典非線性光學(xué)功能，未來(lái)實(shí)現(xiàn)量子功能的可編程化將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

NTT Research的PHI實(shí)驗(yàn)室致力于在量子物理與腦科學(xué)基礎(chǔ)原理層面推進(jìn)計(jì)算研究，同步開(kāi)發(fā)相關(guān)硬件與軟件。本項(xiàng)研究證明，非線性光子技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)認(rèn)知的可擴(kuò)展性、靈活性與可編程性。

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