全球首款可编程非线性光子芯片

日本电信电话株式会社（NTT）旗下NTT Research公司宣布，其物理与信息学（PHI）实验室与康奈尔大学、斯坦福大学合作，成功研发出全球首款可编程非线性光子波导。该芯片能实现多种非线性光学功能的动态切换，从根本上改变了非线性光子器件的运行方式，突破了"单设备单功能"的传统范式，显著拓展了可调谐光源、光学与量子计算及通信领域的应用空间。

这项研究由NTT Research科学家柳本凌松在康奈尔大学副教授Peter L. McMahon指导下主导完成。题为《片上可编程非线性光子学》的论文已于2025年10月8日获国际权威期刊《自然》在线发表，并将于2025年11月13日刊登于纸质版《自然》期刊。

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图1.展示了由NTT Research与康奈尔大学、斯坦福大学科学家共同打造的概念验证可编程非线性沟道波导示意图。小图所示为实际器件图片。

Yanagimoto表示："这项成果突破了非线性光学器件功能在制造时即被固定的传统范式。对于需要快速器件重构和高良品率的应用场景而言，这项技术不仅带来便利，更是不可或缺的突破。我们首次为非线性光学技术开辟了通往大规模光路、可重构量子频率转换、任意光学波形合成器及宽调谐经典/量子光源的应用路径——这些均是构建先进计算与通信基础设施的核心要素。"

突破传统光子器件范式

传统光子器件遵循"单设备单功能"原则，每个光学元件的功能在制造阶段就已固定。这种局限性迫使制造商需为不同功能分别生产专用器件，不仅增加成本与复杂度，更因制造误差导致良品率下降。而NTT Research与合作团队研发的可编程非线性波导（图1）采用氮化硅核芯，其非线性特性可通过结构光图案动态调控。当编程光投射至器件时，会形成特定的光学非线性分布，从而定义器件功能。同一物理芯片能通过不同光图案快速重构，实现多种非线性光学功能。

研究人员利用该新型器件成功演示了多项创新功能：任意脉冲整形、宽调谐二次谐波产生、空谱结构光全息生成，以及对抗制造误差与环境漂移的非线性光学功能实时逆向设计。

先进光子技术的跨行业影响

据IDTechEx预测，光子集成电路技术市场将在未来十年呈现显著增长，到2035年整体市场规模（含数据通信、5G电信、量子技术、传感器与激光雷达等领域）将突破500亿美元。此项研究成果有望解决光子产业面临的多个关键难题：

成本削减：企业可用单一可编程芯片替代多个专用器件，研发与生产成本有望实现数量级降低

良品率提升：制造后编程功能意味着可修正制造缺陷，大幅提高生产效率，这对良品率要求呈指数级增长的大规模光路制造至关重要

空间与能效优化：多功能集成器件显著缩小光学系统占用空间并降低复杂度

该技术在多个高增长市场展现应用潜力：量子计算领域可编程量子频率转换器与量子光源有望实现更灵活的计算架构；通信领域宽调谐光源与任意波形发生器将增强5G/6G基础设施性能；先进制造与成像领域可编程结构光源可提升加工精度；科学仪器领域实时可重构光学系统将推动测量设备升级。

未来展望

该研究存在三大演进方向：首先，现有技术可扩展至各类光子器件，通过非线性编程与原生功能的交互产生新兴特性；其次，本研究利用电场诱导非线性效应实现可编程功能，该物理效应的完整潜力仍有待挖掘；最后，当前演示集中于经典非线性光学功能，未来实现量子功能的可编程化将产生深远影响。

NTT Research的PHI实验室致力于在量子物理与脑科学基础原理层面推进计算研究，同步开发相关硬件与软件。本项研究证明，非线性光子技术有望实现远超传统认知的可扩展性、灵活性与可编程性。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09620-9