【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。
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：
- Aydin, Koray. "Nanostructured silicon success." (2015).
- Stanford breakthrough heralds super-efficient light-based computers
- 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。
