74飞秒全光操控芯片问世 光通信速度或提升万倍

74飞秒全光操控芯片问世 光通信速度或提... Latest News

据ScienceDaily 2026年9月18日报道，美国加州理工学院（Caltech）的研究团队成功研发出一种微型芯片，能够利用一束光在74飞秒（相当于光穿过一根头发宽度所需的时间）内改变另一束光的传播方向。这项突破基于纳米硅超表面（metasurface）和光学克尔效应，有望将光通信、光计算和光传感的速度提升数个数量级，为下一代全光信息处理技术奠定基础。相关论文于同日发表在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。

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从电控到全光：突破传统光调制的速度瓶颈

传统的光束转向或调制技术，如液晶面板和电信系统中的光学芯片，依赖电信号改变材料的电子状态。电子被激发至高能级后，需要经过一个“弛豫”过程才能回到低能级，这一过程通常需要纳秒（十亿分之一秒）甚至皮秒（万亿分之一秒）量级，成为系统速度的瓶颈。据Caltech团队介绍，为了突破这一限制，他们完全放弃了电信号，改用一束精心设计的强光（称为“泵浦光”）来直接操控另一束弱光（称为“探针光”）的方向，实现了全光学控制。

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光学克尔效应：电子轨道内部的瞬态变化

系统的核心物理机制是光学克尔效应。当一束强光通过材料时，会短暂地、极小地改变材料的折射率（即光在材料中减速和弯曲的程度）。这种效应源于电子在其原子轨道内部的运动状态发生瞬时跃变，但并未被推离轨道进入更高能级。因此，折射率的变化几乎与光脉冲同生同灭，无需等待电子从高能级回落——这正是实现超快响应的关键。Caltech团队指出，单独的光学克尔效应过于微弱，不足以在实用设备中偏转光束，必须通过特殊结构加以放大。

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纳米硅柱阵列放大弱效应：偏转角度达13度

为增强光学克尔效应的强度，研究人员在非晶硅薄膜上制作了纳米柱阵列，形成一种超表面。每个纳米柱的尺寸小于泵浦光的波长。通过精确设计柱的间距和直径，泵浦光在超表面内部被短暂“困住”并循环，显著延长了光与材料的相互作用时间。据论文第一作者、现为加州大学伯克利分校助理教授的Claudio Hail介绍：“这种结构将微弱的折射率变化放大了足够多，使得探针光能够被可靠地偏转。”实验中，团队在仅74飞秒的泵浦脉冲持续时间内，实现了最大13度的转向角度。

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下表对比了现有技术与新方法的性能差异：

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技术类型	工作机理	典型响应时间	是否依赖电信号	偏转角度	参考文献来源

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液晶光调制器	电场改变液晶分子取向	毫秒级（10⁻³ s）	是	通常 < 30°	市场产品数据

电光调制器（如LiNbO₃）	电信号改变材料折射率	皮秒级（10⁻¹² s）	是	< 10°	标准光通信器件

Caltech全光超表面	光学克尔效应 + 纳米柱共振	74飞秒（7.4×10⁻¹⁴ s）	否（全光）	13°	《自然·纳米技术》2026

速度仍有提升空间：受限于激光脉冲而非材料

Harry Atwater教授（Caltech应用物理与材料科学教授，论文通讯作者）在声明中强调：“用光操控光非常具有挑战性，因为光通常与物质相互作用极弱。借助光学超表面，我们大大提高了相互作用强度，使这一过程变得高效。”研究团队表示，当前74飞秒的速度极限是由他们使用的激光脉冲宽度决定的，而非超表面材料本身的物理极限。这意味着通过采用更短的激光脉冲，未来可能实现亚飞秒甚至阿秒级的光束转向。这一方向可能催生“时间晶体”和“合成时变光学材料”等新兴光物理概念。

潜在应用：光通信、光计算与高灵敏度传感

全光光束操控技术将直接推动光通信系统的带宽和能效提升。在数据中心和高性能计算集群中，用光子代替电子进行数据路由，可以避免电互连带来的热耗散和延迟。此外，该芯片还可用于光控雷达（LiDAR）、光学显微镜和量子信息处理中的光束偏转。据论文合著者、现为特拉维夫大学助理教授Lior Michaeli透露：“我们的方法实现了全光、可重构的空间光调制，这在以前被认为是几乎不可能的。”

FAQ：读者常见问题解答

Q1: 74飞秒到底有多快？

A1: 1飞秒是千万亿分之一秒（10⁻¹⁵秒）。74飞秒相当于光在真空中传播约22微米的距离——大约是一根人类头发宽度的1/4。相比之下，传统电子开关的速度通常在纳秒级，74飞秒比之快了一万倍以上。

Q2: 这个芯片何时能投入实际应用？

A2: 目前还处于实验室演示阶段。研究团队需要解决泵浦光源的体积、能效以及芯片的集成度问题。不过，由于CMOS兼容的硅基制造工艺已经成熟，该芯片的成本和规模化潜力较大。预计未来3-5年内有望进入光通信和传感领域的原型验证。

面向未来的超快光子学

加州理工学院的这一成果标志着全光操控技术迈入飞秒级时代。通过消除电子弛豫带来的延迟，并用纳米工程化超表面放大微弱非线性效应，研究人员为光通信、光计算和精密测量开辟了全新路径。随着激光器件的进一步微型化，这种“光控光”的芯片有望成为下一代信息基础设施的核心组件。

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加州理工团队研发纳米硅超表面芯片，在74飞秒内用一束光操控另一束光，偏转角度达13度。该全光技术突破电子瓶颈，有望推动光通信、光计算和传感技术革命。基于《自然·纳米技术》论文。