光子芯片，有了新方向

摩尔定律的推进正在放缓，电子电路在速度与能效上已逼近基础物理极限。不少研究者认为，破局之道在光子学：用光代替电子来处理和传输信息。但今天的光子芯片，依然依赖主导电子产业的刚性无机半导体。一篇新发表的观点综述提出，光子学的未来或许不是“造”出来的，而是“长”出来的。

这篇题为《生物材料基可持续集成微纳光子的前景》的文章，2026年11月1日在线发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials），由俄罗斯科学院普罗霍罗夫普通物理研究所与土耳其伊兹密尔理工学院等机构的研究者合作完成。文章系统梳理了快速扩张的集成生物光子学：把生物材料与光子器件结合。作者认为，荧光蛋白、DNA、丝素蛋白、叶绿素这类生物材料不只是环保型替代品，它们带着合成材料不具备的能力——基因可编程性、自组装能力，以及同活体组织无缝衔接的界面特性。

不过核心判断为：“生物材料最有效的角色，不是全盘取代无机半导体，而是作为功能上专门化的组件，以其独特的物理化学属性去补足传统平台。”同时承认，生物材料器件在效率与寿命上总体仍落后于无机方案，其决定性优势集中在边界清晰的细分场景：植入式与可穿戴诊断、即时检测生物传感器，以及尚在萌芽的量子生物光子平台。这个自我限定很关键，它决定了后续所有数字应该被怎么读——不是替代性指标，而是“够用且附带其他好处”的指标。

最接近产业化的是无源器件。丝素蛋白与DNA-CTMA通道波导在可见光与通信波段的光损耗最低可达0.24 dB/cm，整体控制在1 dB/cm以内，与常规聚合物波导相当甚至更优。更值得注意的是工艺路径：这类波导可用兼容CMOS的工艺制备，质地柔软，适合可穿戴与植入式传感。这意味着生物材料不必另建一套完全陌生的产线，而能嫁接在既有微纳加工体系上。对一种新材料来说，“能被现有产线接住”往往比性能领先更能决定它有没有机会。

发光环节的数据已经接近实用门槛。基于改造荧光蛋白的生物混合LED，光效约130流明/瓦，工作寿命超过3600小时（约150天），与稀土荧光粉LED处于同一水平，目前已在新生儿黄疸光疗与伤口修复方向展开探索。可降解、不含重金属的光源在医疗场景里自带吸引力：用完即弃、无需回收，是这类应用的隐性成本优势。更前沿的一步是激光器——研究者用丝素蛋白与mCherry荧光蛋白做出了全固态、蛋白基的回音壁模式激光器，尽管仍处早期，但指向细胞内传感与高通道数细胞标记这类硅基器件难以进入的场景。

收光与存算这两端也已有雏形。把细菌视紫红质或荧光蛋白与碳纳米管、石墨烯结合的混合探测器，光谱响应由蛋白质的吸收指纹决定，响应度最高可达7×10³ A/W——选择性不靠外加滤光片，而靠分子本身，这在多通道生物检测里是结构性的简化。以叶绿素、丝素蛋白、碳点构建的光电忆阻器则能模拟突触可塑性，支持存内计算与图像预处理，单次事件能耗低至0.25飞焦。综述还纳入生物混合光伏器件，光电转换效率最高约20%，说明这套材料体系在“发光—收光—存算”三个环节都已有落点，而非单点突破。

把这几项放回当下的产业坐标，位置会更清楚。光子芯片正从实验室走向产线：硅光整合平台已进入量产节奏，共封装光学被视作AI数据中心互连的关键形态，据机构测算相关光子集成电路产能正从每月数百片向万片级爬升。与此同时材料平台的竞争也在升温，硅、氮化硅、磷化铟、薄膜铌酸锂、钛酸钡各有拥趸，共同逻辑是更大的晶圆、更成熟的CMOS工艺、更高的带宽密度。生物材料并不在这条主线上竞争：它不追带宽纪录，换的是柔性、可降解、生物相容与溶液法带来的低制备成本。也正因此，把它理解成“替代硅光”会误判——它争的不是同一张榜单。

真正的障碍在工艺侧，而非原理侧。蛋白质在40–50℃以上就会变性，绝大多数生物材料在标准半导体制造所用的溶剂、等离子体与热处理下会降解，连医疗器械常见的灭菌流程都可能致命。学界正用封装、化学交联、基因工程等手段缓解，但文章指出，面向生物光子集成的标准化工艺规范与工艺设计套件“几乎仍是空白”。还有两个只有产业界才会提的问题：洁净室是否允许生物材料进入CMOS产线，以及有没有代工厂愿意为它开专线。前者是管理问题，后者是商业问题，两者都比一篇论文难解决。

这条路线目前由学术界主导。丝素蛋白光子器件的研究传统可追溯到美国塔夫茨大学团队，DNA-CTMA体系最早由美国空军研究实验室推动，荧光蛋白光源与生物激光器多出自欧洲与亚洲高校课题组；产业端基本没有成型玩家，与硅光那条已经挤满代工厂、模块厂和云厂商的赛道形成鲜明对照。更现实的落地顺序大概率先落在医疗与传感：光疗贴片、一次性检测耗材、植入式传感器，而不是数据通信。这既是机会也是壁垒——医疗器械注册与生物相容性评价会成为筛选器，把能讲故事的方案和能进医院的方案分开。对国内而言，这条线与硅光产业链并不重叠，可切入的位置更多在生物材料供应与传感应用，而非先进光刻或高速调制。

作者认为，基于生物材料的混合光子器件全套集成技术，已近在眼前。这为基于混合微纳结构的光子集成电路设计铺平了道路。开发兼容CMOS的生物图形化工艺、建立标准化表征方案、推出可供高校与产业晶圆厂共用的开源设计套件。就目前的成熟度判断，全集成生物光子芯片仍是长期目标，而非三五年内的产品。真正值得盯住的刻度有三个：是否出现可用的开源设计套件与代工通道，封装后的器件寿命能否从数千小时抬到年级别，以及是否出现通过监管审批的终端产品。