隨著人工智慧（AI）、雲端運算及量子科技快速發展，支撐超高速資料傳輸的光子晶片（Photonic Chip）正成為半導體產業的重要技術。美國哈佛大學約翰・A・保爾森工程與應用科學學院（SEAS）與德國馬克斯・普朗克光科學研究所最新研究指出，研究團隊成功利用逆向設計（Inverse Design）演算法，開發出新一代氮化矽光子元件，體積僅為傳統設計的1/500，不僅大幅縮小晶片尺寸，也為AI資料中心、光通訊及量子運算帶來新的技術突破。
研究成果已刊登於國際期刊《Nature Communications（自然通訊）》。
光子晶片最大的特色，在於利用光子而非電子傳輸資訊，可提供更高頻寬、更低延遲及更低耗能，因此廣泛應用於高速光通訊、AI伺服器、資料中心及量子資訊處理，被視為下一代高效能運算的重要核心。
傳統光子元件設計通常依靠工程師反覆調整結構與參數，不僅開發時間長，也難以兼顧體積與效能。此次研究則採用逆向設計技術，先設定光線需要完成的功能，再由電腦演算法自動計算最適合的奈米結構，大幅突破傳統人工設計限制。
研究團隊表示，演算法所生成的元件外觀雖然布滿不規則孔洞與特殊幾何結構，看似不同於傳統設計，但卻能在極小空間內精準控制光線傳播，同時兼顧量產可行性。研究人員更將晶圓製程限制納入演算法，確保設計成果可直接導入商用半導體製造流程。
此次研究另一項重要突破，是將逆向設計成功應用於氮化矽（Silicon Nitride）材料。相較於矽基材料，氮化矽具有更低光損耗、高穩定性及可產生多波長雷射等優勢，因此近年逐漸成為高性能光子晶片的重要材料。
研究團隊此次成功設計三種超微型光子元件，包括可分離不同波長光束的分光器、負責不同光路分流的空間模式分選器，以及高效率光子反射鏡。其中，微型反射鏡尺寸僅數微米，反射效率高達98.5%，可在晶片內形成高效率光學共振腔，大幅提升光訊號控制能力。
研究人員指出，未來將進一步把這些微型元件整合至非線性光子系統，發展可產生「光頻梳（Optical Frequency Comb）」的新型晶片。光頻梳被視為現代精密測量的重要工具，可廣泛應用於高速光通訊、衛星導航、精密光學量測、量子運算及新一代AI運算平台。
研究團隊認為，逆向設計最大的優勢，在於研究人員只需定義光子元件所需功能，演算法便能自行找出最佳奈米結構，不僅縮短研發時間，也能創造出人類難以憑經驗設計的全新架構。
隨著AI運算需求持續攀升，全球半導體產業正積極投入光子晶片研發。此次研究成功將光子元件尺寸縮小500倍，代表高密度光子積體電路邁出重要一步，也為未來AI資料中心、超高速網路及量子資訊技術提供更高效、更節能的新解決方案。
