掌控光的三大路径：光子时间晶体、可编程缓冲与超小型组件

编者按：本文综合编译自《自然》及《自然·通讯》期刊论文，原标题为“Three Research Teams Take Different Routes to Control Light”。

来自法国巴黎综合理工学院、韩国首尔大学和美国哈佛大学的三支研究团队，近期分别从不同角度攻克了光子学领域的同一核心难题——光在芯片上难以静止、难以放大、且占用面积过大。

由巴黎综合理工学院领衔的国际团队于7月29日在《自然》（Nature）杂志上报道了首个全光光子时间晶体。该研究在太赫兹超材料中将等离子体损耗降低了50%以上，驱动脉冲时间尺度达到皮秒级。

两周前，首尔国立大学与首尔市立大学（University of Seoul）发表了一种光子集成电路设计，可按需减慢并延迟光信号，解决了实用光学缓冲器缺失的问题。与此同时，哈佛大学工程与应用科学学院（Harvard SEAS）与马克斯·普朗克光科学研究所（Max Planck Institute for the Science of Light）将器件设计交给优化算法，制成了比传统结构小多达500倍的氮化硅多路复用器。

三支团队从不同角度切入同一核心难题：光难以静止、难以在芯片上放大，且占用面积昂贵。

巴黎综合理工学院：以快于光振荡的速度调制材料

光子晶体通过周期性空间结构控制光子。巴黎综合理工学院与法兰西学院（Collège de France）、法国国家科学研究中心（CNRS）以及亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫中心（Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf）合作，将这种周期性延伸到时间维度。

该器件是一种等离子体超材料：微米尺度的金锯齿结构覆盖绝缘层，再覆盖锑化铟，形成空腔，将太赫兹光子与半导体中的表面等离子体束缚在一起。利用亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫中心TELBE源产生的高场、相位稳定脉冲驱动，可将载流子的有效质量调制至其静止质量的80%，在单个光学周期内实现近乎统一的调制深度。

光谱测量显示，系统通过一个例外点进入光子时间晶体态，两个Floquet驱动的光学本征模在此合并。该状态下出现的增益使超材料的等离子体损耗减半，作者预测等离子体激光已在实验可达范围内。值得注意的是，该演示依赖超导直线加速器来产生驱动脉冲。

巴黎综合理工学院及其合作伙伴声称，他们率先实现了全光子时间晶体。图片由 巴黎综合理工学院提供。

首尔国立大学：开发可编程光缓冲器

光路路由没有类似RAM的缓冲机制，因为光子以固定速度传播，无法“停放”。耦合谐振器诱导透明（CRIT）是一种折中方案：相互连接的谐振器之间的干涉在窄带内透射光，同时降低群速度。但CRIT结构的行为在制造时已固定，若需更长延迟或不同工作波段，只能重新设计器件。

首尔国立大学团队将CRIT的亮模与暗模视为单一自由度，并加入两个可控环形耦合器。这使多谐振器系统的通带带宽与形状、延迟和透射率均可调控，而非局限于单个环。脉冲传播速度可在电路运行时实时调整，同一机制还可实现频率转换，无需额外组件。

该工作本质上是一项设计原理，已通过氮化硅平台上的三维电磁仿真验证，并开展了鲁棒性分析，覆盖材料损耗、谐振器品质因子波动、背向散射、耦合波动、环形耦合器相位误差以及热串扰等因素。目前尚未制造实物器件，研究人员表示下一步将进行实际实现与实验验证。

可编程CRIT光子集成电路的结构。图片由首尔国立大学提供。

哈佛大学：借助算法实现光控制

哈佛大学工程与应用科学学院与马克斯·普朗克光科学研究所设计、制造并测试了三类氮化硅器件，相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。其中最小的三端口波分复用器尺寸仅为5 µm × 5 µm。

传统定向耦合器实现相同功能时，仅耦合长度就需数百微米。该团队明确了光应实现的功能，并将搜索过程交给基于梯度的优化器。

所有器件均采用厚氮化硅（400 nm至800 nm）平台。该平台损耗低、非线性可用，但此前除手工设计外，几乎没有完整的器件库。模分复用器尺寸从8 µm × 8 µm到15 µm × 10 µm不等，两类器件的插入损耗均约为1.5–2 dB。尺寸为11 µm × 2.8 µm的反射器峰值反射率达98.5%；配对成法布里-珀罗腔后，加载精细度达到162，Q值接近210,000。同一芯片上的环谐振器本征Q值超过2000万，传播损耗为8 dB/m。

研究人员的光子微芯片原型旁边放着一枚10欧分硬币作为比例尺。图片由Tony Bi/MPL提供，经哈佛大学授权使用。

哈佛发布的信息称尺寸缩小约500倍。论文对此进行了细分：该数字主要对应模分复用器，波分复用器则约为50至300倍。制造过程也影响了器件的实际性能——O波段串扰实测为3 dB，而仿真为8 dB，研究人员将其归因于侧壁角度不完美和间隙填充不完全。优化器将最小特征尺寸限制在80 nm至100 nm，以确保设计可兼容代工厂工艺；不过这些特定芯片由哈佛纳米尺度系统中心（Center for Nanoscale Systems）的电子束光刻完成。

这三个路径的商业化前景如何

这三项研究从不同角度解决“光难静止、难放大、占面积贵”的核心问题，分别对应增益与超快控制、片上可编程缓冲、超紧凑器件设计。我们让AI（Grok、deepseek）结合当前光子集成电路（PIC）与硅光子市场（AI数据中心驱动，预计2030年代达数百亿美元规模）、氮化硅（SiN）平台崛起、以及共封装光学（CPO）加速落地的背景，从技术成熟度、应用匹配度、制造可扩展性、竞争与时间线四个维度分析商业化前景。

综合判断：哈佛的逆设计超小型SiN组件商业化前景最明确、时间线最近——已通过流片验证，尺寸缩小优势显著，且氮化硅平台与现有CMOS代工工艺兼容，最有可能在短期内转化为数据中心光互连的实际产品。首尔大学的可编程光缓冲处于仿真阶段，需实物验证后方能评估其竞争力。巴黎综合理工学院的光子时间晶体目前依赖大型加速器，距离片上集成尚有根本性障碍，属于长远期探索方向。

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