“现在是研究非线性光学的好时机，薄膜铌酸锂平台蕴藏着很多机会，我们可以利用它突破很多传统非线性光学研究的局限，甚至打破很多传统的假设。”加州理工学院电气工程和应用物理学系助理教授阿里雷萨·马兰迪（）在面试其课题组博士后时这样说道。

当时还在耶鲁大学读博，从事二维材料的中红外纳米光学器件方面的研究。正是这番话，坚定了他博士后阶段从事薄膜铌酸锂平台上超快非线性光子学的意愿。2023 年初，他即将加入美国纽约市立大学先进科学研究中心担任助理教授。

正是印证了“非线性光学的好时机”的说法，近期，加州理工学院团队研发了一种全光学开关，通过该光学开关可用更低的能耗（飞焦）处理更快的（Tbit/s）信息。他们利用薄膜铌酸锂平台较强的等效二阶非线性光学效应，在没有谐振腔的情况下，用仅仅 80 飞焦的能耗实现了 46 飞秒的光学开关，这也创造了集成光子学全光开关迄今为止“史上最快”的最新记录。

该成果在一定程度上，会改变人们对全光信息处理和光学计算领域的认识。过去，人们很难用一种简单的方式在芯片上实现超快、超低功耗的光开关、光信号提取、光信号插入、光路由等。大家普遍认为实现全光超快信息处理和计算还很遥远，该研究加速了该领域的发展进程。

▲图丨相关论文（来源：Nature Photonics）

7 月 28 日，相关论文以《铌酸锂纳米光子学中的飞焦飞秒全光开关》（）为题发表在 Nature Photonics 上[1]。

审稿人对该论文评价道：“作者们提出了一种全新的全光开关设计。这个器件的工作需要精确地控制铌酸锂纳米波导的准相位匹配和色散，作者成功地证明了这一点。他们制备了多个器件并且进行了系统地测试和分析，工作深入且扎实。这项工作一定会受到光子学界的好评，尤其是那些从事非线性和集成光子系统开发的研究者们。”

最快可处理 9Tbit/s 信息

在通信和计算领域，光被认为是信息的优异载体。虽然光很适合实现互联和长距离高速数据传输，但处理光所携带的信息时，人们仍然需要引入光电转换，以及电学器件。由于电学和光电器件，例如晶体管，光电探测器等都有 Gbit/s 量级速度的限制，这大大限制了人们处理信息的速度，无法处理更快的信息（例如 Tbit/s）。

全光开关和全光信息处理一直是光子学研究的热点，因为该技术能突破传统光电信息处理的速度极限。然而，相比于电子和电子之间很强的相互作用，光和光之间很难产生相互作用。受制于固体光学材料较弱的非线性光学效应，过去实现固态全光开关的方式是用很强的光功率激发材料的光学非线性特性，但这种方法会显著地提高信息处理的能耗。

该论文第一作者、加州理工学院电气工程系博士后研究员举例说道：“用光处理一个信息往往需要皮焦（10-12J）的能量，但电学晶体管只需要飞焦（10-15J）甚至阿焦量级（10-18J）的能量。虽然将光场囚禁在谐振腔内可以大大降低开关所需的能耗，但这样做会大大减慢开关的速度。因此，相对于电学开关，用这种办法实现全光开关并没有明显带来速度上的提升。”

▲图丨在测量系统中的全光开关芯片（来源：加州理工学院）

该光学开关展现了 46 飞秒的开关速度和 3.7×10-27 J·s 的开关时间与能量乘积，这一性能打破了集成光学平台全光开关综合性能的纪录。进一步解释道：“这意味着我们的全光开关最快可以处理大约 9 Tbit/s 的信息。相比之下，普通电学晶体管的开关速度只有几百皮秒甚至纳秒量级。同时，我们的全光开关处理一个比特的信息只需要几十飞焦的能耗，已经能和电学晶体管比拟。”

值得关注的是，该器件展现出来的优异性能不仅来自于薄膜铌酸锂更强的非线性光学效应，还与铌酸锂纳米波导的巧妙设计紧密相关。在该器件内部，不同波长的光脉冲能以相近的群速度传播，并且不会出现脉冲展宽。

“这个设计保证了光脉冲之间能发生很强的非线性作用，正因为这样我们实现了出色的开关性能。而且，传统的全光开关大多需要多个波长的光相互作用，这会大大增加系统的复杂度。但我引入了一种新的器件工作原理，能用单波长的光实现全光开关。”说。

近几年，光学在模拟计算、最优化计算和神经计算领域展现了巨大的潜力。相对于传统的电学计算，这些光学计算架构可以与光通信以及光传感等应用场景“无缝对接”。这项研究为这些新兴领域提供了新的思路。

实现集成光子学 46 飞秒全光学开关

全光开关优异性能的背后，是一次次攻克技术挑战。在该研究中，器件的微纳加工、超短脉冲下的非线性光学测量、以及非线性光学仿真在团队成员的坚持努力下，一步步攻克完成。

在 2019 年底加入加州理工学院时，薄膜铌酸锂仍是一个很新的集成光子学平台，它的微纳加工仍然在世界范围内是一个极大的挑战。如何通过干法刻蚀制备出低传输损耗的铌酸锂光波导，如何保证刻蚀深度的均匀性都是艰巨的任务。

表示，“由于我们做的是有周期性极化（periodic poling）的铌酸锂非线性光学器件，如何实现铌酸锂铁电电筹的均匀翻转，也需要大量摸索和优化工艺。”

此外，纳米尺度的铌酸锂光波导具有很强光场限制效应，这会让光对纳米波导的几何形状非常敏感。在研究的初始阶段，研究人员发现，通过仔细仿真设计出的极化周期无法让器件实现准相位匹配，而且和实现准相位匹配差距甚远。这一差异难以用调控器件温度等办法补偿。

对此，解释说：“这是因为在微纳加工过程中引入的一些工艺误差（如波导宽度和刻蚀深度变化），会显著地改变实现准相位匹配所需要的极化周期。”

郭秋实在加入加州理工学院之初，就在超净间大量从事薄膜铌酸锂波导的微纳加工工作。在他构思出这个工作的想法后，用三个月的时间摸索出了一套制备低损耗波导的加工工艺，并且能较为精准的控制波导的的几何形状，波导几何尺寸误差能达到 5nm 以内。

他表示，“由于实验中我们使用波长不可调的超短脉冲激光，找到器件的准相位匹配条件有很大的难度。我在实验中还发现了一种能精确找到准相位匹配的新方法。”

该研究也得到了团队其他成员的大力支持。比如，博士生关根崚人（）搭建了一套光学测量系统，另一位博士生路易斯·莱德兹马（）开发出了一套模拟薄膜铌酸锂中超快二阶非线性光学的程序。“这些对我的实验设计和光学测量有很大的指导意义，我们三人紧密配合，在新冠疫情爆发这个极其困难的时期取得了实验进展。”郭秋实说。

在该研究中，研究人员选择使用铌酸锂的晶体材料，该材料在光学领域有怎样的特性呢？

第一，铌酸锂天然具有较强的电光效应，这对在光波上加载信息有重大的意义。相比之下，其他材料需要引入载流子来改变材料折射率，这会大大增加光传播的损耗。

第二，铌酸锂是非对称晶体，具有天然的二阶非线性光学效应，相对于硅和氮化硅的三阶非线性效应大很多数量级。一般在硅和氮化硅平台上从事非线性光学研究，需要制备具有高品质因子的光学谐振腔来显著增强腔内光的场强，这对微纳加工提出了很苛刻的要求。然而在铌酸锂平台上，该要求相对放宽不少，同时也带来了更大的工作带宽。

第三，虽然相对于砷化镓、磷化镓等材料，铌酸锂的二阶非线性系数并不算很高，但铌酸锂具有铁电特性。可以通过周期性地翻转铁电电筹的方法来实现准相位匹配，大大提高非线性频率转换效率。这一特性是其他材料不易实现的。

最后，铌酸锂还拥有很强的压电系数，可以应用于声光以及射频光子学等领域。

希望将全光开关应用于实现片上超快光学计算系统

从事目前方向的研究，离不开他对物理学的浓厚兴趣。他本科就读于西安交通大学电子科学与技术系，从那时起他就对微纳米器件研究产生了浓厚的兴趣。之后他在宾夕法尼亚大学和耶鲁大学分别完成了硕士和博士阶段的学习。

表示，相对于系统和软件方面的研究，从事微纳器件的研究需要对物理学有精深的把握，这很符合他的兴趣。而且，从科学杂志上他经常能看到用微纳加工方式制备出的器件的扫描电镜图，非常具有美感。“可以说，微纳米器件是一个能把科学和艺术融合的领域。发明和制造新器件也会给我一种在创造新事物的感觉，这是一些其他领域难以做到的。”

他认为，一个关于器件的研究领域要想做得深，最好能同时满足如下几个点：可拓展性、物理、应用、非线性。事实上，很多研究了几十年的领域，比如晶体管、激光、超导量子比特等，都是非线性器件。这是因为非线性能赋予器件和系统更多的复杂度, 会为器件和芯片带来更多功能。

下一步，该团队希望将全光开关应用于实现片上超快光学计算系统。他们期待用这项技术实现 Tbit/s 速度的光时分复用计算，从而大大突破电学计算机的计算速度，尤其是在计算一些复杂的最优化问题上。

“虽然光波分复用技术目前被大量应用于光通信领域来增加通信带宽和容量，但光时分复用也有它独到的优势并没有被充分挖掘出来，尤其是在时域非线性光学计算领域。”说道。

另外，在光芯片上实现具有高脉冲峰值功率的超短脉冲激光，是集成光子学领域未完全攻克的重大问题。当下专注研究的另一个方向是，如何利用铌酸锂较高的非线性效应来实现高效率的超短脉冲光源。

未来，他希望能用其所设计并开发的新型超短脉冲光源，引发铌酸锂平台上更多的非线性效应，以实现集成的非线性光学系统，并应用于超快相干光学计算和光谱分析。

参考资料：
1.Guo, Q., Sekine, R., Ledezma, L.et al. Nature Photonics 16, 625–631 (2022). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01044-5