导读

全光逻辑有望突破电子电路已停滞二十余年的运算速度瓶颈，但迄今仍缺乏兼具强非线性、紧凑尺寸、光学增益且可级联的材料与结构，导致难以构建可扩展架构。近日，IBM 欧洲苏黎世研究中心、AMO 有限公司、亚琛工业大学以及乌珀塔尔大学联合团队把“光学晶体管”从垂直腔搬进了硅基平面，首次在室温下实现了可级联的片上极化激元晶体管。

研究团队用高折射率差亚波长光栅（HCG）替代传统分布式布拉格反射镜，做出 2×2 µm² 的 Fabry-Pérot 微腔，把有机聚合物 MeLPPP 嵌入其中，在芯片平面内完成强耦合与极化激元凝聚，从而实现性能突破：在皮秒级开关速度内实现60× 光信号放大，开关消光比 8:1。该平面集成、超紧凑、超快的极化激元晶体管为可扩展全光逻辑电路提供了核心单元，理论上可使运算速度比电子电路提高两个数量级。

该研究成果近日发表于国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Integrated, ultrafast all-optical polariton transistors with sub-wavelength grating microcavities”，IBM 欧洲苏黎世研究中心的Pietro Tassan和Darius Urbonas为论文共同一作，Darius Urbonas与Thilo Stöferle为论文的通讯作者。

研究背景

过去近二十年，随着Dennard 缩放定律失效，CMOS 晶体管尺寸缩小无法再带来速度的提升，芯片主频长期停滞在几 GHz，电子电路在高性能计算、实时信号处理等场景下遭遇功耗-速度双重瓶颈。为突破这一极限，学术界提出“全光逻辑”概念，希望用光子替代电子进行信息处理，理论上可把时钟频率提升两个数量级。然而早期方案——无论是半导体量子阱光学双稳、环/盘/光子晶体微腔、硅基 M-Z 干涉仪，还是等离激元、单分子器件——都因材料非线性系数低、器件面积大、需低温或复杂自由空间光路而难以实现高密度级联。

2010 年后，强耦合微腔-激子极化激元体系成为新路线：把有机或无机激子材料嵌入高品质微腔，使激子-光子耦合率大于损耗，形成半光半物质的极化激元准粒子，借助其玻色刺激散射可在室温实现超低阈值凝聚和皮秒开关。但迄今报道的极化激元晶体管均采用垂直分布布拉格反射镜（DBR）腔，凝聚态波矢垂直于芯片平面，不同器件之间必须用自由空间透镜或光纤重新耦合，引入数百皮秒延迟且占用毫米级占位面积，完全无法在同一芯片上构建级联电路。因此，“如何在室温下把极化激元器件做成平面可扩展、与 CMOS 兼容、飞焦门控、皮秒响应”成为全光逻辑领域亟待解决的核心难题，也是这项研究的直接动机。

创新研究

研究团队首先验证了 HCG 几何与材料体系的可行性。（图1、图 2）。SEM显示硅柱阵列尺寸误差 <5 nm；3D-FDTD算出 490 nm 基模同时被横向 HCG 与纵向 TIR 束缚，Q≈420；系统改变腔长 L，下极化支能量呈弯曲色散，耦合振子拟合得 Rabi splitting 327 meV，50 % 激子成分。泵浦-发射曲线在 39 µJ cm^-² 出现非线性拐点，线宽由 6 meV 锐缩至 1 meV 并蓝移 5 meV，首次在室温下证明“面内 HCG + MeLPPP”可稳定产生激子-极化激元凝聚，为后续器件奠定物理基础。

图1：集成高对比度光栅微腔。

图2：强光-物质耦合区与极化激元凝聚。

接着，在确立强耦合后，团队开展测试速度与一致性极限。对同一芯片300 余个 HCG 腔统计，共振能量标准差 <0.5 meV，远小于腔线宽，满足级联“输出腔线落入下一级输入腔宽”判据。双脉冲实验显示只有当第二脉冲领先 ≤1 ps 时才出现二次增强，相干时间≈270 fs，对应本征响应窗口 <1 ps，理论上支持 >1 THz 重复频率。

最后，把两个同频HCG 腔横向间距 3 µm 耦合，形成“种子腔 +加晶体管腔”配置。（图3、图 4）先以1.2 Pth 激发种子腔产生门控脉冲，再以 Δt≈-1 ps 泵浦晶体管腔（0.8 Pth），受激散射使输出增强 60×，阈值降低 30%，消光比达 8:1，门控能量仅 ~10 fJ。光谱显示放大前后峰位偏差 <0.2 meV、线宽变化 <5%，满足级联“无谱畸变”要求。时间扫描表明增益窗口半高宽 0.9-1.4 ps，可通过泵浦时序精确控制多级流向，从而完成“由物理验证到性能极限到器件指标”的闭环。

图3：超快晶体管效应。

图4：超光谱与晶体管性能。

总结展望

本研究实现了光泵浦、室温、面内极化激元凝聚，与以往不可扩展的垂直架构不同，其微米级单模凝聚态平行于芯片表面，使平面集成成为可能。通过将两个超紧凑共振器面内级联，展示了飞焦输入、皮秒响应、高达60 倍信号放大的超快全光晶体管，为实现大扇出和超越基本单元的可扩展性奠定基础。

展望未来，借助硅光子纳米加工技术和HCG 腔的优异可设计性，该方法可扩展到多个晶体管组成逻辑门乃至更复杂电路。若采用 HCG 或氮化硅波导进行信号与泵浦脉冲的片上路由，即可在远距离晶体管间实现低损耗互连，从而构建运行速度比电子电路高两个数量级的全光逻辑平台。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02050-2