Nature 报道 | 宾夕法尼亚大学在光子开关上取得突破

2/07/2025，光纤在线讯，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究团队开发了一种基于非厄米物理的新型光子开关。这款开关的单元尺寸仅为85×85 ?m，能够在万亿分之一秒内重新定向光信号，突破了传统开关在尺寸和速度上的限制。通过在纳米尺度操控光信号，该技术展现出在数据中心、光通信系统和人工智能训练等领域的巨大潜力。

小尺寸与高速度的结合
        随着现代通信技术对高数据速率和低延迟的要求不断提高，光通信领域迎来了新的突破。近期《Nature Photonics》发表的一篇论文中，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员描述了一种新型光子开关。该开关的单元仅为85×85 um，比一粒盐还小，却能够在万亿分之一秒（皮秒）内重新定向信号，这得益于他们在纳米尺度对光信号的精准操控能力。

        “通过这种技术，我们能够显著加快数据的传输和处理速度，从流媒体视频播放到人工智能模型的训练，所有领域都将从中获益。”研究团队的负责人梁峰教授表示。

      
新型器件结构与原理
        该光子开关是一种混合结构，由硅和铟镓砷磷（InGaAsP）材料组成。底层为硅层，顶部的InGaAsP层则提供光增益。

        通过调节增益层的光增益水平，研究人员能够实现垂直耦合波导的控制，使光信号在不同输入和输出端口之间切换。关键的“特殊点”技术使得切换动态达到约100 ps的水平。

        值得一提的是，器件的设计基于非厄米物理学，这是量子力学的一个前沿分支。通过研究系统在非传统状态下的行为，研究人员对光的行为获得了更大的控制力，最终实现了这一创新性突破。

技术挑战与突破
        尽管最终取得了成功，但研究团队面临着巨大的技术挑战。特别是在硅层和InGaAsP层的对齐上，任何纳米级的误差都会导致整个器件失效。

        “这就像制作一份精致的三明治，任何一层如果稍有偏差，都会让整个三明治无法食用，”梁教授形象地比喻道。通过多次试验，团队成功达到了纳米级的精确对齐。

应用前景
        这项技术的潜力不仅限于理论研究。光子开关的高速、低能耗和小尺寸特性使其成为数据中心的理想选择，可以显著提高光纤通信系统的数据吞吐能力。

        这种光子开关还可以应用于图像传感器、量子计算和人工智能训练等多个领域，未来有望推动多个行业的技术革新。

研究支持与展望
        研究人员认为，这一突破将不仅惠及学术领域，还将为依赖数据中心的数十亿用户提供更快、更高效的服务。

这项技术的诞生无疑为未来的光通信发展铺设了重要基石。随着更多研究的展开，我们有理由期待光子交换技术在未来实现更多令人振奋的应用场景。

（本文来源于Pic Magazine，仅作为行业信息和新闻分享）
来源： Luceda