光子元件是傳輸大量資訊的理想選擇，但開發光子整合晶片的流程緩慢且昂貴，阻礙其拓展應用。如果光子晶片能具有可重複程式化(Reprogrammable)的特性，允許使用者透過修改程式來改變其特性，便能滿足不同應用需求，將可大幅降低光子晶片的開發成本、縮短上市時間和改善這些晶片應用的永續性。本文將介紹相關技術最近取得的突破，以及未來可程式化光子技術的發展方向。
要實現可重複程式化的光子晶片，需要大量的高效光電致動器來開關、分離和過濾這些經過致動器的光學訊號。透過引進微機電(MEMS)與基於液晶技術的解決方案，研究人員目前正在開發用來實現大型可重組光子積體電路(PIC)的低功耗組件。這些多功能的光子晶片可望能加速橫跨多元產業的各式應用，包含生物感測、醫療科技及資訊處理。
以可程式特性突破光子創新瓶頸
過去五十年來，我們已經見證了一場電子技術的真實革命。電子元件正在驅動社會的許多基本活動。光子科技現在也在快速成長，正在經歷類似的蓬勃發展。在驅動當前的通訊網路和資料中心方面，新興的光子晶片變得越來越重要。與此同時，這些元件的複雜度也在攀升。單顆光子晶片目前能整合多達數萬甚至是數十萬個零組件。
儘管如此，光子晶片的應用彈性，仍無法與電子晶片相比。市面上有許多電子晶片具有可重複程式化的特性，應用開發者只需要購買現成產品，再依據不同應用所需要的功能對程式進行重新設計即可，不一定需要自行針對特定應用需求重新設計晶片。但目前大多數的光子晶片仍是為特殊應用專門設計。為了讓某一特定功能達到最佳性能，在設計階段就會決定光子晶片上用來定義光線路徑的電路，並完全按設計來製造，沒有重設電路配置的彈性。這使得光子晶片幾乎無法為不同的用途來重複利用，所有新的應用都需要新的晶片設計。
一顆光子晶片的設計、製造和測試週期不僅緩慢，也很昂貴。從開始晶片製造到取得成果，動輒就要耗上12個月。加上光子元件生態系成熟度不如電子元件，所以製出的晶片不一能定如預期運作，尤其是當設計複雜度很高的時候，這類光子晶片最初的幾個設計版本，往往會出現這種問題。
讓光子電路具有一定的程式控制彈性，是打破這種僵局和降低研發門檻的一種可行解決辦法。再次以電子元件為例，像現場可編程邏輯閘陣列(FPGA)等多功能可程式電子元件，一直都是驅動電子創新的關鍵推手。光子元件也需要採用類似操作模式的晶片：購買通用的現成晶片，然後為應用所需的光學功能來設定晶片。這種可程式光子晶片可能可以縮短一款新型光子元件產品的原型設計時程，從數年減至數月，甚至是數周。這將使光子晶片的應用範疇大幅擴張。
比利時根特大學、比利時微電子研究中心(imec)和其他機構，都在積極促成合作計畫來催生這類通用型可程式光子晶片。這些晶片和特殊應用型晶片相似，必須面對各自特有的全新挑戰。
為了讓晶片上的光學路徑可以被使用者自行設定，這種光子晶片必須結合數十萬個由可電控移相器(Phase Shifter)控制的光學閘極。這些移相器可能會誘發不同光學訊號路徑的極短暫延遲，進而產生建設性或破壞性干涉，使得光學訊號改變傳輸路徑。因此，這些光學閘極發揮了微型開關的功能，把兩對訊號輸入和輸出進行耦合，同時還具有在0%~100%的範圍內連續調變光波分割的附加性能。這種全面控制有個代價：由於光線必須經過一連串的移相器，這些基本構件必須時時保持在運作良好的狀態。
微機電/液晶提供解題新思路
要在光子晶片上操作一個光學閘極，傳統做法是採用微型加熱器，也就是置於波導附近的極小型電熱器。對波導加熱會改變其光學特性，引發相位偏移。雖然這些加熱器的尺寸很小，但每顆都會消耗數微瓦功耗，導致電路難以擴大規模。
2018年時，由歐盟資助的MORPHIC計畫展開，其目標是以先進的MEMS波導元件來強化可程式矽光子電路。MEMS是小型機械式致動器，只有數微米的大小，可以改變波導之間的距離。這些可移動的波導只需要透過維持電容的電壓就能以靜電致動。無須耗費靜電就能維持該元件的狀態。MEMS移相器所產生的光學作用極大，移動矽結構能讓元件對光波所處的光學環境創造出大幅變動。
MORPHIC聯盟展示了長度僅有60微米(µm)且功耗達到奈瓦等級的MEMS移相器和可調式波導耦合器(圖1)。雖然這不是MEMS致動器與光學波導結合的首例，但MORPHIC是在完整的矽光子平台中整合MEMS的第一個案例，而且不損及平台上其他關鍵組件的性能，例如高速調變器和鍺(Ge)光感測器。
這種整合並非易事。傳統的矽光子波導以氧化矽或其它介電材料來包覆封裝，但移動式波導元件卻必須獨立運作，即處於懸空或真空狀態。MORPHIC計畫的6位歐洲研究夥伴透過局部移除波導下方的支撐層，增加了波導的可動性，並採用晶圓級密閉封裝來保護這些獨立MEMS元件，成功解決了這項問題。
因此，這些元件能與更大型的電路連接，並利用高密度的中介層技術，與採用客製設計的多通道驅動器和讀取電子元件建立電性連接。從晶圓級製造、封裝到程式設計，該研究團隊顯示出這些MEMS波導致動器確實可用來當作矽光子晶片上的高效光學調變機制。這項成果有賴於多個專業領域的合作，涉及半導體處理、電學/光學/機械設計能力、多種封裝和組裝製程的開發，以及例行的軟體作業。
在開發MEMS元件的同時，研究人員也在探索把液晶技術導入可程式光子晶片的可能性。液晶材料具備雙折射特性，能利用局部電場來改變其折射率，進而轉動液晶分子。參與PhotonicSWARM及LIQUORICE計畫的研究人員獲得歐洲研究院(European Research Council)的兩項經費補助，在晶片局部嵌入由液晶包覆的波導元件(圖2)，成功把液晶整合到功能齊全的矽光子晶片上。這些波導內的光波能感應到液晶分子的局部旋轉，這些液晶分子則由鄰近的電極驅動。最終製出長度為50微米(µm)的移相器，藉此，研究人員在只有5V的驅動電壓下，實現0.8π的相位差，而且功耗僅有數微瓦。
理想的移相器須具備功耗極低、光學損耗小，還具備最短光學路徑的元件尺寸。另外，這些移相器如果能提供奈秒等級的超快反應時間，並採用與CMOS相容的電壓進行操控，也能提供幫助。要滿足上述這些需求的難度很高，且到目前為止，如此完美的移相器還未問世。然而，近期在液晶與MEMS元件方面展開的合作研究，提供了兩項前景看好的備選技術，研究人員目前也在利用這些新型移相器來運作更大型的可程式電路。
可程式化移相器問世 光子晶片設計彈性大增(1)
