矽光子的發展與挑戰 （一）：電子與光子

自然界基本作用力有4種，由強至弱排列：強作用（strong interaction）、電磁作用（electromagnetic interaction）、弱作用（weak interaction）以及重力作用（gravity）。20世紀以及21世紀的文明，除了核能與強作用相關外，主要是由電磁作用的應用所鋪展開來的。 
 
電磁作用的基礎理論是電動力學（electrodynamics），馬克士威爾方程式（Maxwell’s equations）就是其中描述電磁場與電荷、電流作用的基本方程式。在現在人類文明已能處理個別粒子行徑的當下，量子現象變得格外重要。能處理量子現象的電磁學叫量子電動力學（Quantum ElectroDynamics；QED）。 
 
QED是最基礎的理論之一，人類知識領域的最前沿。至今所有的實驗數據與QED的理論預測完全符合，實驗與理論精確度的競賽都已經較勁到小數點後12位了！說QED是人類文明堅實的柱石一點也不為過。 
 
QED理論中有2個主角：電子與光子。前者扮演的角色比較單純，就是有質量、帶電荷、有自旋（spin）的粒子；後者除了本身是粒子外，也是產生電磁作用的中介。 
 
電子，或者電子集體行動的電流，我們感覺上比較熟悉，是我們在材料中容易操控的物質。它們被用來當成攜帶／儲存訊息的載子（carrier）。譬如將電容上有無電荷存留的狀態，當成1或0；或者將電晶體中有無電流流過，當成1或0。控制電子狀態的手段通常是電壓，這也是電磁學中的一員。電場和磁場是光子的組成份子，但是單純的電場或磁場不能自由移動，無法當成訊息的載子。 
 
我們習慣的電子載子操控方式是讓電子在金屬中流動，電子在金屬傳導的過程中不斷地與金屬原子晶格碰撞、產生熱能，這就是焦耳加熱（joule heating）。當摩爾定律走到原分子尺度時，金屬線愈發細微—電阻更高，而晶片要傳遞的信息量更大，焦耳熱的問題變得無所不在，從晶片內、晶片之間、系統內乃至於系統之間，任何訊息的移動都生熱量。

如何降低發熱、加強散熱變成計算力進一步提升的主要挑戰。尋求另外形式的載子以避免或降低焦耳熱的產生勢在必行。 

光子技術也早已應用於讀取／儲存訊息及傳遞訊息。前者如以前的光碟，後者如現在於網路的光纖通訊。但是這與近代文明的核心—半導體有相當的距離。是否有辦法整合光子入半導體的體制、承擔訊息載子的任務，成了目前的研發方向。 
 
光子在傳遞的過程中理論上不會發熱，而且傳遞訊息速度比電子快了近100倍，這是它被考慮成另類訊息載子的首要原因，這優勢在遠距光纖通訊中已得到充分的展示。 
 
另外，光子的自由度極為豐富。目前用光子元件調制（modulate）光以編碼（encode）光擕帶訊息的自由度有強度（intensity）、相位（phase）、頻率、方向、波長等。但其實光還有時間段（time-bin）、軌道角動量（Orbital Angular Momentum；OAM）以及極化（polarization）等自由度可以用來編碼訊息。一個光子經光元件調制後最多可以有144個狀態，這是不久前在光子的量子糾纏實驗中所展示證明地。光可以攜帶巨量資訊，但這也是目前將光納入半導體訊息處理體制的挑戰之一。 
 
光子還有一個劣勢，就是光子和光子之間不會交互作用。本來用光子來控制、調製光子是最理想的狀況，但是由於這個因素，對於光子的調制必須透過物質來進行。特別是對於光子主動元件（active devices，能改變光子的頻率、波長、自我聚焦等效應）要以非線性光學材料（nonlinear optical materials）來組成。而這些非線性效應一般來說是作用的高階效應，作用較弱，需要以另外的手段來加強，這使得光子元件的尺寸一般都相當大。這是光子的優點所伴生的缺陷。