數十年來，光電子技術推動了信息技術的蓬勃發展，并成為信息和通信產業的核心技術，被廣泛應用于光通信、光電顯示、半導體照明、光存儲、激光器等多個應用領域。

但是，在高性能的光纖系統中，面臨著一些瓶頸。例如，遠程通信系統以電子方式處理信號，將信號轉換為光進行傳輸，光子以光速傳播的性質非常適合通信，但是在信號格式之間進行轉換對于本地傳輸是很麻煩的。另外，由于光子比電子大得多，而且相互作用弱，必須要用高壓進行重定向。所以光學開關體積大，需要很高的功率才能將其融入集成光子學中。

最近，發表在Science（《科學》）雜志上的一項研究提出了新的光學開關的思路，美國國家標準與技術研究院(NIST)研究員Christian Haffner領導了這項研究。研究人員開發出一種混合納米電光開關，僅有10平方微米大小，1伏電壓就可使其運行。它能在集成光電子中實現與CMOS（互補金屬氧化物半導體）硅電子相兼容，光能在20億分之一秒內在芯片間通行。

研究人員稱，這是目前為止光子能在芯片中移動的最快速度。這為激光雷達波束控制和可重構光子網絡開辟了道路。

Haffner指出，一些研究人員此前認為光—電—力學開關不切實際，因為它們“塊頭”大，操作速度慢且電壓要求過高，計算機芯片的組件無法承受，但最新研制出的這款開關解決了上述問題。該設備的緊湊型設計，確保光信號損失僅為2.5%，而之前的開關為60%。

該開關是一個小型的多層磁盤，位于兩個光波導的T形連接處。該光波導是直角相交的兩個透明的導光二氧化硅條。磁盤上層是一個厚40納米的金膜組成的4微米的圓盤，在一小塊氧化鋁上，氧化鋁下方是沉積的二氧化硅。這種結構充當與輸入和輸出波導諧振的彎曲波導，它可以在兩者之間傳遞諧振光。

圖：磁盤上層是一個厚40納米的金膜組成的4微米的圓盤，貼在一小塊氧化鋁上，氧化鋁下方是沉積的二氧化硅。這種結構充當與輸入和輸出波導諧振的彎曲波導，它可以在兩者之間傳遞諧振光。

硅波導內的光仍然是光子，但在開關內，光激發金表面電子振蕩，產生了電漿子，電漿子以光波的頻率振動，但比光波長小得多。將光的電漿子部分限制在可變高度的氣隙中，可以產生很強的光電效應，這種效應集中在小體積的開關中，而將其余的光子限制在一起可以使光損耗最小化。

在不給開關施加電壓的情況下，電漿子波導和二氧化硅波導保持諧振，因此它可以以最小的損耗將光從輸入波導耦合到輸出波導。

向開關施加一個電壓會產生靜電，該電荷會把金膜拉向硅層，從而改變交換機中波導的形狀，使光的相位偏移180度。這會在交換機中造成相消干擾，破壞共振，并使光耦合到側波導中，因此，光會繼續通過輸入波導到達另一個開關。

在很短的距離內應用與CMOS電子器件兼容的一伏偏置可以產生非常強的力。這使得開關可以實現更低損耗、更低功耗，打破了傳統電光開關的局限。它可以與CMOS直接集成，200個交換機和電子驅動器可以集成在一個小到一根頭發橫截面大小的區域。

這種開關每秒可以重定向信號數百萬次，強大的OEM交互作用和低損耗可以使非諧振功能單元用于光檢測和測距應用，所以它的第一個應用可能是激光雷達，尤其是在自動駕駛汽車上，原來笨重的LIDAR系統可以被小小的、低功耗的光學雷達所替代。

用光子傳輸數據還意味著計算機不會因為電而發熱，同時還會減少系統能耗，所以另一個潛在應用是集成光子芯片，用來構建用于深度學習的光學神經網絡。另外，它也可能是量子計算機不可或缺的一部分。這些開關可以構成光場可編程門陣列的基本組件，并引發一場技術革命，就像過去幾十年里由電場可編輯門陣列實現的技術革命一樣。