NIST光子芯片问世，可输出任意波长激光

在几平方英寸内集成数十亿电子元件的计算机芯片，支撑了数字经济并改变了世界。如今，科学家们正即将开启一场类似的技术革命——这一次，将使用光来实现。

美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家及其合作者在朝着这一目标迈进的过程中取得重大突破：他们开创性地通过在硅晶圆上沉积特种材料的复杂图案，制造出光集成电路。这类被称为光子芯片的器件，利用激光器、波导、滤波器和光开关等光学器件传输光线并处理信息。这项最新进展将极大推动人工智能、量子计算机、光原子钟等新兴技术的发展。

关键发现

通过在硅晶圆上堆叠特种材料，NIST研究人员开发出一种全新方法，制造出以处理光子的方式、类比传统芯片处理电子的芯片。这些指甲盖大小的 “集成光子” 芯片可产生连续光谱（彩虹色）的光，是将当前庞大、昂贵的激光系统微型化的重要一步。NIST芯片有望助力量子计算机、光原子钟等技术走出实验室，并开始影响生物医学、导航、通信等领域。

NIST物理学家 Scott Papp（其团队主导了这项发表于《Nature》的研究）表示，让光电路像电子电路一样强大且普及，是当今科技前沿之一。“我们正学会制造具备多种功能的复杂光路，覆盖众多应用领域。”

这款小型矩形芯片上制备了大量可改变激光颜色的电路。

光速优势

在信息传输与处理方面，光可以做到电做不到的事。光子（光的粒子）在电路中传输的速度远快于电子。激光对于光原子钟、量子计算机等重要新兴量子技术的操控也不可或缺。但集成光子学真正走向成熟仍面临若干障碍，其中之一便是激光器。高质量、紧凑且高效的激光器仅能产生少数几种波长（颜色）的光。例如，半导体激光器非常擅长产生 980 纳米波长的红外光 —— 这是一种人眼不可见的光。

光原子钟、量子计算机等新兴技术同时需要大量其他颜色的激光。而能产生这些颜色的激光器体积庞大、成本高昂、功耗巨大，实际上将这些量子技术局限在少数专用实验室中。科学家们希望通过将激光器集成到芯片上，让量子技术变得更廉价、更便携，从而兑现其巨大潜力。

多层堆叠方案

NIST这款新型光子芯片有点像多层蛋糕。Papp、Grant Brodnik 及其团队以标准硅片为基底，依次覆盖二氧化硅（玻璃）和铌酸锂—— 一种可改变入射光颜色的非线性光学材料。研究人员随后加入金属结构，以电控方式调控光路将一种光色转换为其他颜色。他们还制备了金属‑铌酸锂界面，可在电路中快速开关光—— 这是数据处理与高速路由的关键能力。

堪称 “蛋糕上的糖霜” 的，是第二种非线性材料：五氧化二钽（Tantala）。五氧化二钽对光的变换能力近乎神奇：输入单一波长激光，即可输出全可见光光谱 + 宽谱红外光。Papp 及其团队花费多年开发无需高温即可制备五氧化二钽电路的工艺，使其能够沉积在其他材料之上而不造成损伤。

通过将不同材料三维分层堆叠并图形化，研究人员实现了单片芯片中层与层之间的高效光传输。这让他们将五氧化二钽超强的光操控能力与铌酸锂的可控性结合起来。Brodnik 表示，新技术 “实现了无缝集成，真正的优势在于五氧化二钽可以直接添加到现有电路中”。

最终，研究人员在一块约啤酒杯垫大小的晶圆上，集成了大约 50 个指甲盖大小的芯片，每个芯片包含 10,000 条光子回路，每条回路输出独一无二的波长。Papp 说：“我们只需设计电路，就能产生所有这些不同颜色的光。”

一芯多用，潜力巨大

量子技术（时钟、计算机等）可能是集成光子学最大的受益方之一。这类设备通常利用原子阵列存储与处理信息。对每一种原子，物理学家都需要与原子内部量子能级精准匹配的专用激光。例如，量子计算机与时钟中常用的铷原子，只对 780 纳米红光响应；另一种常用的锶原子，则对 461 纳米蓝光敏感。照射其他颜色的光则不会产生任何反应。

生产这些定制波长所需的激光器庞大、昂贵、结构复杂，一直是阻碍量子计算机与光钟走出实验室、走向实际应用的主要瓶颈。

廉价、低功耗、便携的光钟，例如可用于预测火山爆发与地震、作为 GPS 之外的定位导航备选方案、帮助科学家探索暗物质本质等科学谜题。量子计算机则可为药物与材料的物理、化学研究提供全新方法。

集成光子电路并非只服务于量子领域。Papp 认为，NIST光子芯片可帮助科技企业在专用芯片之间高效传输信号，有望让 AI 工具更强大、更高效。科技企业同样希望利用光子学改进虚拟现实显示设备。

Papp 与 Brodnik 表示，尽管NIST芯片尚未实现量产，但其制备工艺已指明可行方向。NIST团队与科罗拉多州路易斯维尔市的初创公司 Octave Photonics（由前NIST研究人员创立）合作，目前正致力于该技术的规模化。Papp 表示：“当你在实验室里看到芯片发光，将不可见光转换成整片芯片上的各种可见光时，显而易见，它拥有无数潜在应用。”