日本電信電話株式會社（NTT）旗下NTT Research公司宣布，其物理與信息學（PHI）實驗室與康奈爾大學、斯坦福大學合作，成功研發(fā)出全球首款可編程非線性光子波導。該芯片能實現(xiàn)多種非線性光學功能的動態(tài)切換，從根本上改變了非線性光子器件的運行方式，突破了"單設備單功能"的傳統(tǒng)范式，顯著拓展了可調(diào)諧光源、光學與量子計算及通信領域的應用空間。

這項研究由NTT Research科學家柳本凌松在康奈爾大學副教授Peter L. McMahon指導下主導完成。題為《片上可編程非線性光子學》的論文已于2025年10月8日獲國際權威期刊《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、斯坦福大學科學家共同打造的概念驗證可編程非線性溝道波導示意圖。小圖所示為實際器件圖片。

Yanagimoto表示："這項成果突破了非線性光學器件功能在制造時即被固定的傳統(tǒng)范式。對于需要快速器件重構和高良品率的應用場景而言，這項技術不僅帶來便利，更是不可或缺的突破。我們首次為非線性光學技術開辟了通往大規(guī)模光路、可重構量子頻率轉(zhuǎn)換、任意光學波形合成器及寬調(diào)諧經(jīng)典/量子光源的應用路徑——這些均是構建先進計算與通信基礎設施的核心要素。"

突破傳統(tǒng)光子器件范式

傳統(tǒng)光子器件遵循"單設備單功能"原則，每個光學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，不僅增加成本與復雜度，更因制造誤差導致良品率下降。而NTT Research與合作團隊研發(fā)的可編程非線性波導（圖1）采用氮化硅核芯，其非線性特性可通過結構光圖案動態(tài)調(diào)控。當編程光投射至器件時，會形成特定的光學非線性分布，從而定義器件功能。同一物理芯片能通過不同光圖案快速重構，實現(xiàn)多種非線性光學功能。

研究人員利用該新型器件成功演示了多項創(chuàng)新功能：任意脈沖整形、寬調(diào)諧二次諧波產(chǎn)生、空譜結構光全息生成，以及對抗制造誤差與環(huán)境漂移的非線性光學功能實時逆向設計。

先進光子技術的跨行業(yè)影響

據(jù)IDTechEx預測，光子集成電路技術市場將在未來十年呈現(xiàn)顯著增長，到2035年整體市場規(guī)模（含數(shù)據(jù)通信、5G電信、量子技術、傳感器與激光雷達等領域）將突破500億美元。此項研究成果有望解決光子產(chǎn)業(yè)面臨的多個關鍵難題：

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

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，這對良品率要求呈指數(shù)級增長的大規(guī)模光路制造至關重要

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

該技術在多個高增長市場展現(xiàn)應用潛力：量子計算領域可編程量子頻率轉(zhuǎn)換器與量子光源有望實現(xiàn)更靈活的計算架構；通信領域?qū)捳{(diào)諧光源與任意波形發(fā)生器將增強5G/6G基礎設施性能；先進制造與成像領域可編程結構光源可提升加工精度；科學儀器領域?qū)崟r可重構光學系統(tǒng)將推動測量設備升級。

未來展望

該研究存在三大演進方向：首先，現(xiàn)有技術可擴展至各類光子器件，通過非線性編程與原生功能的交互產(chǎn)生新興特性；其次，本研究利用電場誘導非線性效應實現(xiàn)可編程功能，該物理效應的完整潛力仍有待挖掘；最后，當前演示集中于經(jīng)典非線性光學功能，未來實現(xiàn)量子功能的可編程化將產(chǎn)生深遠影響。

NTT Research的PHI實驗室致力于在量子物理與腦科學基礎原理層面推進計算研究，同步開發(fā)相關硬件與軟件。本項研究證明，非線性光子技術有望實現(xiàn)遠超傳統(tǒng)認知的可擴展性、靈活性與可編程性。

相關鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09620-9