矽光子的发展与挑战 （一）：电子与光子

自然界基本作用力有4种，由强至弱排列：强作用（strong interaction）、电磁作用（electromagnetic interaction）、弱作用（weak interaction）以及重力作用（gravity）。20世纪以及21世纪的文明，除了核能与强作用相关外，主要是由电磁作用的应用所铺展开来的。 
 
电磁作用的基础理论是电动力学（electrodynamics），马克士威尔方程序（Maxwell’s equations）就是其中描述电磁场与电荷、电流作用的基本方程序。在现在人类文明已能处理个别粒子行径的当下，量子现象变得格外重要。能处理量子现象的电磁学叫量子电动力学（Quantum ElectroDynamics；QED）。 
 
QED是最基础的理论之一，人类知识领域的最前沿。至今所有的实验数据与QED的理论预测完全符合，实验与理论精确度的竞赛都已经较劲到小数点后12位了！说QED是人类文明坚实的柱石一点也不为过。 
 
QED理论中有2个主角：电子与光子。前者扮演的角色比较单纯，就是有质量、带电荷、有自旋（spin）的粒子；后者除了本身是粒子外，也是产生电磁作用的中介。 
 
电子，或者电子集体移动的电流，我们感觉上比较熟悉，是我们在材料中容易操控的物质。它们被用来当成携带／储存信息的载子（carrier）。譬如将电容上有无电荷存留的状态，当成1或0；或者将晶体管中有无电流流过，当成1或0。控制电子状态的手段通常是电压，这也是电磁学中的一员。电场和磁场是光子的组成份子，但是单纯的电场或磁场不能自由移动，无法当成信息的载子。 
 
我们习惯的电子载子操控方式是让电子在金属中流动，电子在金属传导的过程中不断地与金属原子晶格碰撞、产生热能，这就是焦耳加热（joule heating）。当摩尔定律走到原分子尺度时，金属线愈发细微—电阻更高，而芯片要传递的信息量更大，焦耳热的问题变得无所不在，从芯片内、芯片之间、系统内乃至于系统之间，任何信息的移动都生热量。

如何降低发热、加强散热变成计算力进一步提升的主要挑战。寻求另外形式的载子以避免或降低焦耳热的产生势在必行。 

光子技术也早已应用于读取／储存信息及传递信息。前者如以前的光盘，后者如现在于网络的光纤通讯。但是这与近代文明的核心—半导体有相当的距离。是否有办法整合光子入半导体的体制、承担信息载子的任务，成了目前的研发方向。 
 
光子在传递的过程中理论上不会发热，而且传递信息速度比电子快了近100倍，这是它被考虑成另类信息载子的首要原因，这优势在线上光纤通讯中已得到充分的展示。 
 
另外，光子的自由度极为丰富。目前用光子元件调制（modulate）光以编码（encode）光擕带信息的自由度有强度（intensity）、相位（phase）、频率、方向、波长等。但其实光还有时间段（time-bin）、轨道角动量（Orbital Angular Momentum；OAM）以及极化（polarization）等自由度可以用来编码信息。一个光子经光元件调制后最多可以有144个状态，这是不久前在光子的量子纠缠实验中所展示证明地。光可以携带巨量信息，但这也是目前将光纳入半导体信息处理体制的挑战之一。 
 
光子还有一个劣势，就是光子和光子之间不会交互作用。本来用光子来控制、调制光子是最理想的状况，但是由于这个因素，对于光子的调制必须透过物质来进行。特别是对于光子主动元件（active devices，能改变光子的频率、波长、自我聚焦等效应）要以非线性光学材料（nonlinear optical materials）来组成。而这些非线性效应一般来说是作用的高端效应，作用较弱，需要以另外的手段来加强，这使得光子元件的尺寸一般都相当大。这是光子的优点所伴生的缺陷。