NTT Research、康奈尔大学和斯坦福大学的科学家研制的概念验证可编程非线性通道波导示意图。

NTT旗下子公司NTT Research宣布，其物理与信息学实验室（PHI Lab）联合康奈尔大学和斯坦福大学，成功研制出全球首款可编程非线性光子波导?？稍诘バ酒鲜迪侄嘀?a class="link-system" href="/encyclopedia/7044925484253765632.html" title="非线性光学" target="_blank">非线性光学功能的切换。这项突破性成果从根本上改变了非线性光子器件的工作模式，打破了“单一器件单一功能”的范式，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前景。

NTT Research科学家柳本良达（Ryotatsu Yanagimoto ）在康奈尔大学副教授彼得·L·麦克马洪（Peter L. McMahon）指导下主导了这项研究。题为“Programmable on-chip nonlinear photonics”的论文已发表在顶尖科学期刊《自然》，将于 2025 年 11 月 13 日在《自然》上以印刷版形式发表。

柳本良达表示：“这些成果突破了传统非线性光学的传统范式——即器件功能在制造过程中被永久固定。这将非线性光子学应用拓展至高速器件可重构性与高良率不仅便利且至关重要的场景。这项突破首次为非线性光学技术应用于大规模光电路、可重构量子频率转换、任意光波形合成器以及宽调谐经典与量子光源开辟了道路——这些技术对构建先进计算与通信基础设施至关重要?！?/span>

打破传统光子器件模型

传统上，光子器件遵循“一个器件，一个功能”的范式，这意味着每个光学元件只能执行单一且预先确定的任务，该功能在器件制造过程中被固定。这种限制迫使制造商为不同功能分别制造独立器件，不仅增加了成本和复杂性，还因制造误差导致生产良率下降。

NTT Research及其合作者开发的可编程非线性波导则采用了氮化硅芯，其非线性特性可通过结构化光图案动态调节。当结构化编程光投射至器件时，会形成特定的光学非线性模式，从而决定器件的功能。不同光图案可在同一物理芯片上实现快速可重构的不同非线性光学功能。

借助该新型器件，研究人员成功实现了任意脉冲整形、宽调谐二次谐波生成、空间-光谱结构化全息光生成，以及实时逆向设计非线性光学功能，且该方案能有效抵御制造误差与环境漂移的影响。

SHG 的光谱工程。

先进光子技术对跨行业的深远影响

据IDTechEx预测，光子集成电路技术市场将在未来十年实现显著增长，到2035年收入将突破500亿美元（涵盖数据通信、5G电信、量子技术、传感器及激光雷达等市场领域）。

相较于传统方案，本研究开发的科技可突破光子产业面临的多项重大瓶颈，例如：

成本降低：企业无需制造多种专用器件，仅需生产单片可编程芯片即可实现多功能集成，研发与生产成本有望实现数量级缩减。

良率提升：制造后可编程功能特性意味着器件能修正制造缺陷，显著提高生产良率。这对构建大规模光电路至关重要，因其对良率的要求呈指数级严苛。

空间与功耗效率：单一器件实现多功能可缩减光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出巨大潜力，尤其在量子计算领域——可编程量子频率转换器和量子光源有望实现更灵活的计算架构，并提升量子网络能力。在电信领域，宽调谐光源和任意波形发生器可增强5G与6G基础设施及光通信系统性能。

其他实用场景还包括先进制造与成像领域，可编程结构化光源能实现更高精度与适应性。此外，科学仪器领域也将受益——实时可重构光学系统有望提升实验室设备与测量装置的性能。

展望未来

这项工作未来可能朝多个方向发展。首先，本研究开发的技术可用于“增强”各类现有光子器件的可编程非线性特性，通过利用其与原始功能的交互作用来实现新功能。其次，本研究利用相对未被探索的物理效应——电场诱导非线性——实现了可编程非线性特性，但其全部潜力尚待发掘；在此方向上进一步探索材料可能显著拓展该技术应用范围。最后，当前实验仅限于经典非线性光学功能的演示。若能实现可编程量子功能的演示，将对该领域产生重大影响。

NTT Research PHI实验室致力于在量子物理与脑科学基本原理框架下开展计算研究，同时推进软硬件双轨并进。本研究表明，非线性光子学技术在可扩展性、灵活性和可编程性方面，其潜力远超传统认知。