光芯片，用光突破计算瓶颈
芯片，又叫作集成电路，
近期，由中国科学院上海微系统与信息技术研究所（上海微系统所）、瑞士洛桑联邦理工学院组成的合作团队在国际上另辟蹊径，在高性能光子芯片制备领域取得了突破性进展，研发了可批量制造的新型光子芯片 ，相关成果及论文发表在了著名国际期刊《自然》上。
微芯片示意。版权图库图片，转载使用可能引发版权纠纷
众多芯片中，光芯片大不一样
芯片依赖电子 在集成电路中的运行来实现各种复杂的功能，芯片内部存在非常多的导线供电子穿梭。光芯片则是利用光在集成光路中的传输来实现各种复杂的功能 ，光芯片主要由发光器件（产生光），光波导（引导光传播的装置）组成。
光芯片结构示意，条纹结构为光波导组成的光芯片单元。图片来源：VLC Photonics
光波导是光在从一种介质传播到另一种介质时偶尔会发生的全反射现象。比如，当光从水传播到空气时，只要光与介质分界面所成角度到达特定范围，就会发生全反射现象，利用该现象能够制成引导光波前进的结构就叫作光波导。
光线在玻璃当中不断全反射。图片来源：wikipedia
现有芯片的种类和功能已经很完善了，为什么还要用光子芯片来替代传统芯片呢？这是因为芯片的性能已经无法满足人们在高速通信和人工智能方面的需求。
光子芯片的特点
与传统芯片对比，光子芯片如同光纤通信线路对比传统的通信电缆。 光纤能够传输更多的数据量，一根光纤所传输的数据量相当于数十根传统信号电缆 。
光纤传输中的光信号能够在长距离传输时保持较高的质量，相比之下信号电缆需要消耗更多的能量，且信号质量也会下降。光子芯片在传输速度，能耗方面相比于传统的芯片也有很大的优势 。
1.速度快
光的传播速度是自然界中最快的，光在真空中每秒能够传播 299792.458 千。相比之下，电信号在电路中的传输速度大约是光速的三分之二到四分之三，随着电路温度的升高，速度还会下降。
中国网民用户数目多达 10.92 亿，互联网产生了各种软件，使用这些软件所产生的数据量是巨大的。海量数据被上传至软件公司建立的数据中心进行处理，数据中心由众多高性能计算机（又叫服务器）组成，服务器之间需要快速交换大量数据。
把服务器比作水缸，水缸间需要通信芯片作为“水管”，将水缸连接在一起，如果水管太细（通信芯片速度无法满足需求），那么水缸的水就无法及时流入或排出，个别水缸水溢出时，也就发生了服务器崩溃（软件没法用了）。光芯片的出现，能够使得服务器之间以及数据中心与外界进行快速的数据交换。
光通信芯片及其结构显微图。图片来源：参考文献 2
2.能耗低
传统芯片进行运算时，电子在电路中运动会产热，高性能运算芯片的耗电量非常高，目前是制约芯片算力的主要原因。芯片的功耗增加一百倍，性能只能提高十倍，大部分的能量都被用于驱动散热部件。为了散热，有的公司甚至将他们的数据中心建在了海底，利于海水冷却电子设备。
被打捞出来检修的水下数据中心。图片来源：microsoft
当前，训练人工智能大模型也面临着芯片性能和电力消耗的制约，为了解决这一问题，当前有两种思路。 一是光芯片与传统芯片的混合集成，传统芯片作为单个的计算单元，光芯片负责计算单元之间的高速通信桥梁，建立集群运算，有效提高运算速度，同时功耗的增加也在可接受范围内。二是设计制造光计算芯片，突破传统的微电子处理器芯片性能瓶颈。
结语
总而言之，光芯片作为继传统微电子芯片后，信息技术的又一重要支撑，光子芯片在功耗，速度，尺寸等方面都极具潜力 。
从华人科学家、光纤之父高锟在 1966 年提出光纤用于长距离通信的理念，到 1970 年代末光纤开始商业化推广，经历了二十余年，光纤的传输损耗也降低为最初的 1% 。同样地，光子芯片的实用化与商业化势在必行。
参考文献
[1] Wang C , Li Z , Riemensberger J ,et al.Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing[J].Nature, 2024, 629(8013):784-790.
[2] Meister S ,Bülent Franke, Eichler H J ,et al.Photonic Integrated Circuits for Optical Communication[J].Optik & Photonik, 2012, 7(2):59-62.
[3]S.O.Kasap.光电子学与光子学[专著] : 原理与实践 : Optoelectronics and photonics : principles and practices[M].电子工业出版社,2016.
策划制作
出品丨科普中国
作者丨海里的咸鱼 中国科学院长春光机所光学硕士
监制丨中国科普博览
责编丨何通
审校丨徐来、林林
浙大校友实现光芯片上超快光，实现100GHz级高重频电子束调控
“本次研究展示了自由电子与非线性光学的相互作用，在电子显微镜中生成了光孤子，并能实现对于电子束的超快门控，将微腔光频梳的应用拓展到了自由电子调控这一全新领域。”
对于自己的 Science 一作论文，浙江大学本科校友、美国麻省理工学院博士毕业生、瑞士洛桑联邦理工学院博士后杨宇嘉表示。
图 | 杨宇嘉（来源：杨宇嘉）
研究中，他们将片上集成的高品质因子氮化硅光学微腔置入透射电子显微镜中。
利用光学微腔的三阶非线性响应，产生了一系列非线性光学态，包括耗散克尔孤子、图灵斑图、混沌调制不稳定性等。
对于这些光学态来说，它们对应着微腔内光场的不同模式的时空调制，在频率上能够形成相干或非相干的微腔光频梳。
通过研究自由电子与这些非线性光学态的相互作用，杨宇嘉等人探测到了这些光学态在自由电子能谱中留下的特征性的“指纹”。
特别是耗散克尔孤子，它能在微腔中形成脉冲时间在 100fs 以下、重复频率在 100GHz 以上的光孤子。
同时，在本次工作之中，他和所在团队也研究了这种光孤子对于自由电子束的超快调控。
（来源：Science）
预计本次成果将实现三方面的应用：
其一，针对非线性光学动力学、尤其是非线性集成光学，可以开发基于自由电子的探测表征技术。
这不仅能为传统的光子学测量方法带来有效补充，并能展示超高的空间分辨率、与片上或微腔内光场的直接作用、以及及非侵入式测量等独特优势。
其二，在常规电子显微镜的技术基础之上，开发超快电子显微镜技术。
本次工作之中，杨宇嘉和所在课题组通过使用集成光学微腔中的飞秒光孤子脉冲，实现了超快的光-电子相互作用。
基于此，有望在常规电子显微镜的基础之上，开发超快电子显微镜技术。
预计这种技术将能使用连续的电子束、连续的激光、以及集成光学芯片，无需使用较为昂贵的飞秒锁模激光器。
进而，能将超快电子显微镜技术用于材料结构、超快动力学、光-物质相互作用的超高时空分辨率成像。
其三，用于片上介电激光电子加速器。
集成光学微腔具有较高的、以及能够达到 GHz-THz 的自由光谱范围。
利用精确设计的微腔结构，以及借助腔内光孤子对于自由电子的调控，可以实现小尺寸、高重复频率的微型电子加速器。
从而有望用于那些无需超高电子能量、但是需要具备紧凑结构的医疗仪器、工业设备和科学装置等。
（来源：Science）
曾催生两项诺奖的电子显微镜
据介绍，自由电子——在近代科学与技术中具有广泛而深远的应用。
这些应用包括电子显微镜、粒子加速器、自由电子激光、微波产生与放大、以及真空电子管等。
特别是对于电子显微镜来说，由于自由电子超短的德布罗意波长、及其与物质的强相互作用，让电子显微镜可以实现原子级超高空间分辨率的成像、衍射与能谱技术。
目前，电子显微镜已被广泛用于材料科学与结构生物学等领域。
相关学者也先后凭借透射电子显微镜成果获得 1986 年诺贝尔物理学奖、以及凭借冷冻电子显微镜成果获得 2017 年诺贝尔化学奖。
近年来，通过在电子显微镜中引入的纳米光学结构，人们实现了自由电子与光子的相互作用。
并基于此实现了一系列新成果，包括超快电子显微镜、量子相干的自由电子调控、阿秒电子脉冲、片上电子加速器、以及新型自由电子光源等。
然而，对于光学材料和光学结构的非线性光学特性在自由电子-光子中的相互作用，鲜少得到探索。
那么，杨宇嘉是如何踏入这一研究领域的？这得从他的读书时代说起。
其本科毕业于浙江大学，硕士和博士则毕业于美国麻省理工学院。读博期间主要研究纳米光学、超快光学、自由电子物理和量子物理。
在研究自由电子与纳米光学结构的相互作用时，他意识到相比品质因子较低的纳米光学天线，高品质因子的集成光学微腔有望大幅增强自由电子和光子的相互作用。
因此在考虑博士后的研究课题时，杨宇嘉联系了集成光学微腔领域的知名学者、瑞士洛桑联邦理工学院的托比亚斯·J·基本伯格（Tobias J. Kippenberg）教授。
在此之后，杨宇嘉也获得了欧盟“玛丽居里学者”的项目资助。
（来源：Science）
携带装满仪器的行李箱，乘坐火车往返德国和瑞士
当时，Kippenberg 教授正好在和德国马克斯普朗克研究所的克劳斯·罗珀斯（Claus Ropers）教授开展合作课题。
于是 Kippenberg 教授邀请杨宇嘉加入自己的课题组做博士后研究。
2021 年，杨宇嘉所在的 Kippenberg 课题组、联合 Ropers 课题组，共同开发了一项新的实验平台。
通过此，他们将透射电子显微镜与集成光学芯片相结合，使用高品质因子的光学微腔展示了低功率光波对于自由电子波函数的较强的相位调控[1]，相关论文发表于 Nature。
2022 年，他们使用类似的实验平台、以及单电子与单光子探测，展示了自由电子在集成光学微腔中所产生的电子-光子对[2]，相关论文发表于 Science。
然而，在上述研究之中，他们仅仅使用了集成光学芯片和光学微腔的线性光学响应，并未使用光学微腔的非线性光学特性。
对于杨宇嘉所在团队来说，他们的绝大多数研究都是围绕非线性集成光学开展。
因此，在针对自由电子-光子相互作用的研究中，他们也想探索集成光学芯片的非线性光学响应对于自由电子束的调控，从而填补领域内的空白。
在本次研究之中，杨宇嘉先是来到德国合作者的课题组里开展实验。
但是，他发现光学微腔的品质因子在电子显微镜中会降低，导致只能产生多孤子态而非单孤子态，即微腔中只有一个光孤子脉冲。
回到瑞士之后，杨宇嘉等人又重新准备了一批品质因子更高的集成光学微腔芯片，并决定用单边带调制的方法实现激光频率的快速扫描，以便更容易地获得单孤子态。
2022 年 4 月，杨宇嘉和同事阿尔斯兰·拉贾（Arslan S. Raja），再次从瑞士来到德国 Ropers 教授课题组，首次在电子显微镜中生成了单孤子态。
这次实验的成功让大家都非常兴奋。然而，在后续的数据分析中，Kippenberg 教授指出在实验中使用光放大器增强激光功率时没有过滤掉自发辐射噪声。
尽管这个小问题并不会影响整个实验的正确性和科学性，但是会影响对于实验结果的解读。
2022 年 7 月，杨宇嘉等人再一次来到德国，重复了前一次的实验工作，并恰当地过滤掉了自发辐射噪声，最终完成了全部的数据采集工作。
“为了跨国完成合作实验，我和同事 Arslan 多次携带装满实验仪器的两个大行李箱，乘坐 7-10 小时（经常延误）的火车往返德国哥廷根和瑞士洛桑。”杨宇嘉表示。
随后，杨宇嘉先后完成了本次研究的数据处理和数据分析，并使用理论仿真方法，重现了实验结果和解释了背后机制。
最终，相关论文以《微谐振器中自由电子与非线性光态的相互作用》（Free-electron interaction with nonlinear optical states in microresonators）为题发在 Science[3]。
杨宇嘉、阿尔斯兰·拉贾（Arslan S. Raja）、简-威尔克·亨克（Jan-Wilke Henke）、F. 贾斯敏·卡佩特（F. Jasmin Kappert）是共同一作。
杨宇嘉、以及瑞士洛桑联邦理工学院托比亚斯·J·基本伯格（Tobias J. Kippenberg）教授和德国马克斯普朗克研究所克劳斯·罗珀斯（Claus Ropers）教授担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Science）
同期 Science 也发表了荷兰原子和分子物理学研究所阿尔伯特·波尔曼（Albert Polman）教授、与西班牙光子科学研究所哈维尔·加西亚·德阿巴霍（F. Javier Garcia de Abajo）教授共同撰写的观点文章[4]，点赞称这是一项结合了自由电子和非线性光学的颠覆式创新。
下一步，杨宇嘉等人将针对其他非线性集成光学器件和动力学进行自由电子探测，比如探测片上激光器、光放大器、暗孤子和超连续光谱等。
与此同时，他也希望在完成博后研究之后，能回到国内建立一间能够达到世界领先水平的、探索电子显微镜和光子学芯片的交叉研究型实验室。
参考资料：
1. Henke, J.-W. et al. Integrated photonics enables continuous-beam electron phase modulation. Nature 600, 653–658 (2021).
2. Feist, A. et al. Cavity-mediated electron-photon pairs. Science 377, 777–780 (2022).
3. Yang, Y. et al. Free-electron interaction with nonlinear optical states in microresonators. Science 383, 168–173 (2024).
4. Polman, A. & García de Abajo, F. J. Electrons catch light pulses on the fly. Science 383, 148–149 (2024).
排版：刘雅坤
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