电子电路擅长快速运算，而光子电路适合用来传输资料。但後者的主要劣势在於开发新型光子积体电路不光耗时，就连成本也相当高昂，因此难以扩展应用。

光子晶片如果能根据不同的应用，透过重新设计程式来控制电路，那麽就能降低开发成本，缩短上市时间，还能强化永续性。可程式设计的晶片需要大量的高效光电致动器来切换、分离与过滤光讯号。透过引进微机电系统（MEMS）与液晶技术方案，研究人员现已着手研发可重构大型光子积体电路的低功耗构件。这些具备多功能的光子晶片将能加速横跨多元产业的各式应用，包含（生物）感测、医疗科技及资讯处理。

尽管如此，光子晶片与电子晶片并不相同，前者必须针对应用进行客制化，後者则能在购买成规产品後，依照定制的用途进行调校。为了达到最隹效能，光子晶片上用来定义光线路径的电路皆固定不动，且按原样制造，并无重设电路配置的弹性。每个新应用都需要新的晶片设计。

创新瓶颈

任职於比利时根特大学（Ghent University）与比利时微电子研究中心（imec）的Wim Bogaerts教授目前正在协调进行一项欧盟资助的共同研究计画，致力於开发可程式矽光子晶片，他表示：「设计、制造与测试光子晶片不仅耗时，而且价格不斐。因应不同的设计目标与迭代（iteration）次数，从概念发想到完成产品研发很可能要5~6年，这样的开发时程对创新者来说是一大阻碍。」

图一 : 把光子晶片的原型开发时程从数年缩短至数月，将能大幅增进其用途与应用多样性。（source：imec）

Bogaerts教授认为，把光子晶片的原型开发时程从数年缩短至数月，甚至是数周，将能大幅增进其用途与应用多样性。

他接着说道：「我们想开发一套光子晶片平台，让光子晶片上的电路能重复进行程式设计，实现不同的功能。不过，与针对单一功能的专用光子电路相比，可程式晶片的尺寸更大，也更复杂，必须面临自身的挑战。其所用的基本光学元件除了必备超高效率，还需要更多的控制元件与软体程序。」

微机电系统（MEMS）与液晶技术

可程式光子积体电路的基本光学元件就是光学闸极。这是一种具备双输入与双输出的波导元件，包含一颗能控制波导相位延迟的相移器（phase shifter），以及一颗负责混合或分离波导的可调耦合器。传统做法是利用晶载加热器来控制光子晶片的闸极，但每个加热器都会增加数毫瓦的功耗。

2018年，由欧盟资助的MORPHIC计画开跑，目标是运用先进的微机电（来改良可程式设计的矽光子晶片。微机电系统（MEMS）是小型的机械式致动器，尺寸仅数微米，能够改变波导之间的距离。

然而，移动式波导元件必须采用独立式设计，亦即处於悬空或真空状态，但传统的矽光子波导由氧化矽层或其它介电材料进行包覆封装。该团队集结六位研究夥伴，共同解决了这项问题，除了局部移除波导下方的支撑层，使其得以移动，也采用晶圆级封装来保护这些独立式微机电元件。这样一来，光学相移器的功耗就能达到奈瓦等级，还能以100x100μm2的超小尺寸与光子晶片整合。这些微机电波导与大型光子电路连接，并透过高密度的中介层技术，与客制化的多通道驱动与读取元件的电极相连。该研究团队演示了这些微机电元件从制造、封装到电路配置的过程，显现其作为矽晶片的高效光学调变机制确实可行。

接下来，Bogaerts教授及其团队也会探索将液晶技术用於可程式光子晶片的可能性。液晶具备双折射的特性，转动液晶分子就能改变其折射率。研究团队取得欧洲研究院（European Research Council）两项经费补助（PhotonicSWARM及LIQUORICE计画），透过嵌入由液晶包覆的波导元件，现已成功把液晶分子整合至全功能的矽光子晶片。波导内的光可以感应到液晶分子的局部方向性，而液晶分子能由邻近的电极驱动。运用长度为50?的相移器，该团队成功以5V的驱动电压达到0.8π的相位差，功耗仅数微瓦。

Bogaerts表示：「理想的相移器速度要快，功耗极低，光学损耗小，光学路径短，还要具备小尺寸。可想而知，要开发出完全符合上述条件的元件十分艰难，但我们正在朝此迈进。现在，我们手上还有两种候选技术，极有可能成为我们心中的理想相移器。」

该研究团队利用自身开发的可程式光子晶片平台，追求功能多样性，而掌握不同的候选方案就能有助於此。两套方案的研发进展也在近期於美国旧金山举行的美西光电展（Photonics West）上发表。

Bogaerts认为MORPHIC联盟的研究成果应归功於夥伴之间的密切合作：「我们善用团队内的多样化专业，并透过团队行动，联手解决各式问题，这让我们得以长期维持明确决策，也帮助我们找到解决方案，否则可能至今仍然不知所措。」

图二 : PHORMIC计画将解决可程式矽光子晶片开发的另一项挑战：把转印而来的光放大器与光源整合在同一晶片上。

建立完整的技术组合

Bogaerts解释：「我们在开发的不是矽光子晶片，而是完整的技术平台，先从微机电元件起步，一路拓展至大型电路与封装技术。」

随着MORPHIC计画在2022年步入尾声，原研发团队也进入了新篇章，接续进行其後的PHORMIC计画。现已纳入一些新的夥伴，以解决可程式矽光子晶片开发的另一项挑战：把转印而来的光放大器与光源整合在同一晶片上。

Bogaerts表示：「未来的最大挑战是整合所有全新开发的个别构件。藉此，我们正在开发具灵活性的通用光子晶片，不仅适合多种应用，基本上还能满足可程式电子元件的功能，不过是锁定光学应用。」

(本文作者Wim Bogaerts教授，任职於比利时根特大学光子研究团队与imec；编译／吴雅婷）