首个室温超快全光晶体管问世，树立新基准

现代数字计算机重塑了社会，但其核心技术仍有巨大演进空间。随着数据量激增与人工智能负载增长，对更强大、高效计算平台的需求日益迫切。

电子晶体管与冯·诺依曼架构仍是当今硅基系统的双支柱。通过在更小芯片上封装更多晶体管，我们制造出智能手机、笔记本和服务器，其算力比登月时代的早期计算机高出数个数量级。然而，这些技术绝非计算发展的终章。

近年来，针对截然不同组件与架构的研究兴起，涵盖AI专用硬件、存内/模拟计算、量子处理器等。IBM Research长期处于探索此类突破性概念的前沿，探究可能塑造未来信息处理基础设施的物理极限。

如今，IBM苏黎世实验室团队联合斯科尔科沃科技学院（SIST）和南安普顿大学，宣布首个可级联、室温工作的全光晶体管。这一里程碑利用有机半导体聚合物——甲基取代梯型聚对苯撑（MeLPPP）的独特性质，构建微腔，让一束激光能开关、放大或抑制另一束激光。

该突破登上《Nature Photonics》最新一期封面。

为何重要

仅用光处理信息的全光器件，有望实现极快开关、极低功耗，并催生“飞行量子比特”路由、盲量子计算等新功能。但构建此类器件极具挑战，全光计算机的追寻已持续近五十年。

要用光信号开关或放大另一光信号，需要介质材料，因为真空中光子不相互作用。本晶体管中，相互作用由准粒子激发子-极化子介导，后者在有机半导体中产生。35纳米厚的MeLPPP夹在两面高反射镜之间形成光学腔，激光激发产生激发子-极化子。激发子-极化子是电子-空穴对（激发子）与光子的混合体，使该器件处于新兴的有机极化子晶体管领域。

这是首个室温工作的同类器件，在仅几微米长的器件中实现前所未有的6500倍光信号放大，比无机同类高出330倍，从而实现逻辑运算所需的级联能力。实验还记录到光晶体管有史以来最高的净光增益——约10 dB/µm。

此外，器件开关进入亚皮秒级，达多太赫兹速率，无需低温冷却——这比早期全光系统具有重大优势。

关键在于，有机极化子晶体管消除了困扰无机设计的实际限制：无机微腔要求泵浦激光以精确入射角触发晶体管；而有机器件允许泵浦激光从几乎任意角度入射，为集成到光纤引线系统或片上平面电路提供了前所未有的灵活性。

实现路径

激发子-极化子能量景观由多条极化子分支定义，源于腔光子与激发子的强光-物质耦合。我们的策略利用激发子-极化子的玻色子本质及有机半导体中显著的振动模式，诱导热激发子以雪崩式弛豫至最低极化子分支（基态）。这种振子介导的弛豫路径被设计为主导竞争性内部转换通道，实验证实了其有效性。

实现巨大放大

第一步，用非共振泵浦激光产生高密度热激发子。泵浦波长调谐使激发子能量恰好比低极化子分支高一个振动量子。该振动模式对应聚合物中芳香环的“呼吸”运动。因强局域激发子具有宽动量分布，泵浦的面内动量分量基本无关紧要；因此泵浦可在几乎任意角度施加，避免了无机微腔严苛的相位匹配约束。

随泵浦激发密度增加，观测到从线性到非线性区的清晰转变，阈值约82 µJ cm⁻²。用微弱控制光束（≈20 nJ cm⁻²——比非共振泵浦弱三个数量级）播种基态极化子，在相同泵浦条件下将凝聚阈值降低近两倍，并将激发子-极化子弛豫率提升50倍。

超快全光开关

亚皮秒开关时间源于有机半导体固有的超快激发子弛豫与亚皮秒腔寿命的结合。在我们的装置中，泵浦光束建立地址态，由控制光束门控。仅1 pJ控制能量下，实现最大消光比17 dB（“1”/“0”强度比）与约500 fs开关响应时间。

最后，通过两级放大方案演示级联能力：第一级凝聚发射被重新导向芯片，经第二泵浦进一步放大。利用级联放大，还在单泵浦-双探针配置下，在同一芯片上耦合三个极化子晶体管实现了OR与AND逻辑门。

总结

实验展示了室温有机微腔中振子介导的动态极化子凝聚，实现全光放大、亚皮秒开关与可级联逻辑运算。可靠的超快开关与破纪录光增益的结合，为片上全光电路铺平道路，可实现太赫兹级逻辑运算。结合无机微腔中最近观测到的强极化子-极化子相互作用进步，此类晶体管未来有望仅用少数光子工作，将开关能量推至阿焦耳量级。

室温有机极化子晶体管，Anton V. Zasedatelev, Anton V. Baranikov, Darius Urbonas, Fabio Scafirimuto, Ullrich Scherf, Thilo Stöferle, Rainer F. Mahrt & Pavlos G. Lagoudakis, Nature Photonics, volume 13, pages 378–383 (2019)