【積體光路系列二】不懂光學也能做光學工程

來自史丹佛大學的Jelena Vučković教授開發出一種演算法,讓不懂光學的人也能設計光學元件。

Image: Stanford University
Image: Stanford University

撰文|方程毅

利用光子取代電子在積體電路裡面進行運算,是目前學界及業界努力的目標。因為光子的運算速度快、頻寬也較大。更重要的是,我們可利用矽晶圓及成熟的半導體工業來製造積體「光路」晶片,大大降低製造研發成本。請見本系列《當積體電路走到極限的時候,不如試試看積體「光路」吧!》。

要使光在晶片中的傳輸並不需要什麼神奇的科技,原理就是光纖。只要將光耦合進一個折射率比周圍大的材料中,就可以讓光走在這個高折射率的材料裡面,只是在積體光路中不叫做光纖而稱作光波導(waveguide)。通常光學通訊傳輸會使用紅外光,波長為1310nm及1550nm,矽對這兩個波段都是透明無吸收的,同時矽的折射率也夠大(矽3.4,空氣1),非常適合作為光波導。

既然是積體光路(integrated optical devices and components),就必須要思考如何讓晶片縮得越小越好。假設有四組訊號要在晶片裡傳輸,就要想辦法讓這四組訊號先結合到同一個光波導內運送,到達目的之後再分開,否則四組訊號各走各的光波導就等於需要四倍的空間。所以本文的主角「多工器」及「解多工器」就登場啦!多工器(multiplexer,MUX)簡單來說就是把多個訊號結合在一起,送進一個光波導內;解多工器(Demultiplexer,DMUX)就是把各個訊號再從光波導中分出來。但要如何攜帶多組訊號呢?其中一個方法是利用不同波長的光,例如讓1310nm的光攜帶A元件產生的訊號,1550nm攜帶從B元件產生的訊號,利用多工器結合在一起,傳送一段距離之後再用解多工器分開,送到各自的目的地。這種專門分波長的(解)多工器也被稱為波長分波(解)多工(Wavelength Division (De)Multiplexing)。

聽起來很簡單吧!

其實一點也不………

因為(解)多工器的工作原理相當複雜,而且不同波長的光會互相干擾,要設計出好的(解)多工器需要大量的光學背景知識跟多年的經驗,因此設計的門檻很高。但來自史丹佛大學的Jelena Vučković教授就想到一個妙招:暴力解。他們設計出一個完全不管光學原理的演算法,只跟電腦說要一個解多工器,目的是把含有1310nm、1550nm的訊號分開,讓電腦硬是跑出一個結構(如圖所示),再依照這個圖案製作,就可以得到一個解多工器。這個電腦算出來的怪東西看上去還真是跟狗啃的沒兩樣,說是解多工器大概沒人會相信,也絕對不會是工程師利用專業設計出來的,純粹就是電腦運算結果,專業人士看到這個東西可能以為是來亂的,但出乎意料是,這個元件解多工的效果非常好,效率跟工程師設計出來的解多工器不相上下,大幅降低光學工程的進入門檻,讓其他領域的人也能參與光學晶片的設計。這項研究被發表在知名期刊Nature Photonics上,並被Phys.org網站評選為《2014年度十大科學與科技故事》。

別以為Jelena Vučković教授是個光學門外漢,他可是光學領域的專家,也就因為他是專家,知道設計這些光學元件的困難,所以才發展了這項研究。他們研發出的演算法是這項研究最重要的價值,如何利用電腦運算我們在此不多贅述,總之只要告訴電腦輸入跟輸出,光學門外漢也可以得到想要的光學元件。

筆者曾經聽過Jelena Vučković教授的演講,現場有人問他:「請問你知道為什麼這個奇怪的結構如此有效嗎?」Jelena Vučković教授回答:「我也不知道為什麼,但就是有效。」這大概是少數學術演講的講者可以這麼理直氣壯的告訴大家「我也不知道為什麼」吧。現場的聽眾也都對這項發明嘖嘖稱奇。這個電腦演算法不僅僅限於設計多工器及解多工器,Jelena Vučković教授也嘗試設計其他積體光路中的必要元件,或許未來的有一天這項技術會變得非常成熟,讓光學工程變得簡單易懂。

但光學元件工程師大概都要哭了,有電腦可以幫忙算,難不成他們只能回家吃自己了嗎?其實不然,無論電腦運算再怎麼強大,也還是要有專業背景的人,不然有問題誰來解決呢?

原始論文:
Piggott, Alexander Y., Jesse Lu, Konstantinos G. Lagoudakis, Jan Petykiewicz, Thomas M. Babinec, and Jelena Vučković. "Inverse design and demonstration of a compact and broadband on-chip wavelength demultiplexer."Nature Photonics 9, no. 6 (2015): 374-377.

參考資料:

  1. Aydin, Koray. "Nanostructured silicon success." (2015).
  2. Stanford breakthrough heralds super-efficient light-based computers
  3. Ten of the biggest science and technology stories of 2014 on Phys.org

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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