美国国家标准与技术研究院造出“任意波长”激光芯片，有望推动新兴技术走出实验室

美国政府网站安全判断美国政府官方网站以.gov 域名结尾安全的.gov 网站使用 HTTPS页面出现锁形图标或“https://”表示已安全连接可在官方、安全的网站分享敏感信息。芯片研发成果美国国家标准与技术研究院NIST研究人员通过将特殊材料堆叠到硅片上开发出制造能像传统芯片处理电子一样处理光子的芯片的新方法。这些指甲大小的“集成光子学”芯片能产生彩虹般色彩是将庞大且昂贵的激光系统小型化的重要一步有望助力量子计算机和光原子钟等新兴技术走出实验室对生物医学、导航、通信等领域产生影响。技术革命进展能在几平方英寸内集成数十亿个电子元件的计算机芯片推动了数字经济发展科学家或许即将开启一场利用光的类似技术革命。美国国家标准与技术研究院的科学家及其合作者通过在硅片上沉积特殊材料的复杂图案开创了制造光集成电路的方法。这些光子芯片利用激光、波导、滤波器和开关等光学器件传输光并处理信息可能会为人工智能、量子计算机和光原子钟等新兴技术带来巨大推动。研究领导与成果发表美国国家标准与技术研究院的物理学家斯科特·帕普领导了这项研究相关成果本周发表在《自然》杂志上。他表示让光电路像电子电路一样强大和普及是当今的技术前沿之一正在学习制造具有多种功能的复杂电路可应用于多个领域。光速优势在信息传输和处理方面光具有电所不具备的优势光子在电路中传输速度比电子快得多。激光对于控制光原子钟和量子计算机等强大的新兴量子技术也至关重要。然而在集成光子学真正取得突破之前仍有一些障碍需要克服其中一个问题与激光有关。高质量、紧凑且高效的激光仅存在于少数几种波长的光中例如半导体激光器擅长产生波长为 980 纳米的红外光。光原子钟和量子计算机等新兴技术还需要其他多种颜色的激光而产生这些颜色的激光器体积大、成本高且能耗大使得这些量子技术只能局限于少数专用实验室。科学家们希望通过将激光器集成到芯片电路中使量子技术变得更便宜、更便携从而充分发挥其巨大潜力。多层设计方案美国国家标准与技术研究院的新型光子芯片类似层叠蛋糕。物理学家帕普和格兰特·布罗德尼克与同事们从一块涂有二氧化硅和铌酸锂的标准硅片开始铌酸锂能改变入射光的颜色。研究人员随后添加金属部件用于对电路将一种颜色的光转换为其他颜色的过程进行电控制还创建了其他金属 - 铌酸锂界面能在电路中快速开启和关闭光这对数据处理和高速路由至关重要。“蛋糕上的糖霜”是五氧化二钽它能以神奇的方式转换光可吸收单一颜色的激光输出全彩虹色的可见光以及广泛的红外波长。帕普和同事们花了多年时间开发用钽酸制造电路的技术且无需对其进行加热能在不损坏其他材料的情况下将其沉积到其他材料上。通过将不同材料以三维堆叠的方式进行图案化研究人员制造出能在各层之间高效传输光的芯片将钽酸的光操纵魔力与铌酸锂的可控性相结合。布罗德尼克表示这种新技术“实现了无缝集成真正的优势在于钽酸可以添加到现有的电路中”。最终研究人员能在一个大约啤酒杯垫大小的硅片上制作出约 50 个指甲大小的芯片每个芯片包含 10000 个光子电路每个电路都能输出独特的颜色。帕普说“只需设计电路就能创造出各种不同的颜色。”一芯多用时钟和计算机等量子技术可能是集成光子学的最大受益者之一。这些设备通常使用原子阵列来存储和处理信息对于每种类型的原子物理学家需要根据原子的内部量子能级定制激光。例如量子计算机和时钟中常用的铷原子对波长为 780 纳米的红光有反应锶原子则对 461 纳米的蓝光有反应用其他颜色的光照射这些原子则不会产生任何反应。产生这些定制颜色所需的庞大、昂贵且复杂的激光器一直是阻碍量子计算机和光原子钟走出实验室并应用于实际领域的主要障碍。例如廉价、低功耗、便携式的光原子钟可帮助预测火山爆发和地震提供替代 GPS 的定位和导航方法并帮助科学家探索暗物质的本质等科学奥秘。量子计算机则可为研究药物和材料的物理和化学性质提供新方法。集成光子电路并不只适用于量子领域。帕普认为美国国家标准与技术研究院的光子芯片可以帮助科技公司的专用芯片之间高效传输信号有可能使基于人工智能的工具更强大、更高效。科技公司也对利用光子学改进虚拟现实显示器感兴趣。帕普和布罗德尼克表示虽然美国国家标准与技术研究院的芯片尚未准备好进行大规模生产但制造这些芯片的技术为未来发展指明了方向。美国国家标准与技术研究院的科学家与科罗拉多州路易斯维尔市的 Octave Photonics 公司的专家进行了合作该公司由美国国家标准与技术研究院的前研究人员创立目前正致力于扩大这项技术的规模。帕普说“当在实验室看到芯片发光它吸收不可见光并在一个集成芯片中产生所有这些可见光时就会明白它有多么广泛的潜在应用。”论文Grant M. Brodnik, Grisha Spektor, Lindell M. Williams, Jizhao Zang, Alexa R. Carollo, Atasi Dan, Jennifer A. Black, David R. Carlson 和 Scott B. Papp. Monolithic 3D integration of tantalum pentoxide nonlinear photonics. 《自然》。2026 年 4 月 15 日