這項研究專案的負責人Oded Raz表示，這是第一個可程式設計的光子電路，研發人員可以對光子材料本身進行程式設計和重新設定，並且它不需要任何電力還保持自身的程式設計狀態。

在研究人員們看來，基於新型可程式設計材料的可重程式設計光子電路，將在一定程度上幫助工程師加速開發光子器件。

一、光子積體電路的優勢與開發難點

電子積體電路（IC）是現在許多新技術發展和成熟的關鍵之一。但還有一種叫光子積體電路（PIC）的半導體技術，它是一種基於晶態半導體晶圓，整合有源和無源光子電路，以及單個微晶片上的電子元件，具有低能耗和高執行速度等效能優勢。

但不足的是，目前PIC的製造方法存在大量的可變性，因此許多生產出來的光子器件與實際所需的規格有著輕微偏差，從而也限制了產量。

而解決該問題的一個潛在方法，是開發可重新配置或可程式設計的PIC，以幫助補償製造過程中產生的任何細微變化。

據了解，可重構PIC的關鍵組成部分是一種光學材料，這種材料的折射率可以在兩種或以上的狀態之間調整。

然而，長期以來研究人員考察的許多可切換的光學材料，需要持續加熱，這意味著它們需要一個恆定的電源和複雜系統來控制這些熱量，並且切換時，其他材料的訊號損耗會進一步降低效能。

二、氫化非晶矽可在冷卻中逆轉折射率

埃因霍芬理工大學的研究人員表示，他們發現的可轉換光學材料，能夠避免製造過程中可變性，以及切換效能損耗等不足。

具體地說，這種材料名叫氫化非晶矽，目前主要用於薄膜矽太陽能電池。

研究人員在一個被稱為“Staebler-Wronski效應”的研究中發現，光或熱會改變氫化非晶矽的光學和電學性質，但當它在黑暗中緩慢冷卻後，可以恢復一部分光學性質。

其實這一效應在薄膜矽太陽能電池中是不可取的，但研究人員們推斷，可重構PIC也許可以利用這個特點來彌補切換過程中的效能損耗。

為了驗證推斷，研究人員們將一層薄薄的氫化非晶矽，在近紅外鐳射中浸泡了100小時以上，然後將它放置在黑暗中緩慢冷卻4個小時。

在這一過程中他們發現，近紅外鐳射可以使材料的折射率增加0.3%，同時冷卻可以將折射率降低0.3%，實現逆轉。同時，這一變化產生的原因是由於光和熱導致的材料體積膨脹。

緊接著，研究人員利用氫化非晶矽的微觀環（microscopic rings），開發了可重新配置的光學開關。他們發現，光學開關能夠可逆地改變這些器件的折射率，而不增加光學損耗。

此外，在氫化非晶矽獨立膜的實驗中，研究人員還發現這些程式化狀態具有長期穩定性，每種狀態可至少持續一個月。

三、氫化非晶矽可將良率最高提升至80%

Oded Raz談到，目前行業中有人認為0.3%的折射率變化非常小，光靠這一點無法解決光子器件的所有問題。

但他指出，上世紀80年代有很多關於如何逆轉Staebler-Wronski效應的研究。“我們可以逆向利用所有關於如何減小效應的見解，進一步放大這些效應，並作出更快的響應。”Oded Raz說。

此外，未來像非晶矽鍺或非晶矽碳等類似的材料，可能會有研究表明它們比氫化非晶矽更擅長進行能量轉換。

在Oded Raz看來，如果未來的研究能夠增強轉換效應的強度，那麼PIC的產量也將得到顯著提高。他認為，以前的基本光子元件良率可能在10%到20%之間，而可程式設計光學材料可將良率提高到50%至80%。

與此同時，產量的提高可反過來減少光子器件的生產製作時間。目前PIC從概念到製造這一過程，可能需要6至9個月的時間，並且由於製造過程存在的可變性，最終產品有可能無法達到研究人員期望的效果。

“這導致研究人員不不得不重複進行實驗和製造。”Oded Raz談到，有了可程式設計材料，就能大大縮短PIC原型製作的時間。

此外，Oded Raz還提到，在理想情況下，可程式設計光學材料可以生產FPGA的光子版本，這可能有助於將原型開發時間從一年縮短到大約10小時或兩週。