2026年3月11日——光子芯片利用光而非电来处理数据，从而实现更快的通信速度和更大的带宽。通常情况下，这些光大部分会局限在芯片内部的光学导线中，难以高效传输到外部世界。

如果能将大量光快速且精准地从芯片上发射出去，摆脱导线的束缚，这将为更高分辨率的显示器、更小的激光雷达系统、更精确的3D打印机或更大规模的量子计算机打开大门。

如今，麻省理工学院等机构的研究人员开发出一类新型光子器件，能以可扩展的方式将光从芯片精准发射到自由空间中。他们的芯片采用了一系列向上弯曲的微结构，形似微小的发光滑雪跳台。研究人员能精确控制数千个此类微结构同时发射光的方式。

该团队利用这一新平台投射出细节丰富的全彩图像，其尺寸仅约为一粒食盐的一半。以此方式应用该技术，或有助于开发轻量化增强现实眼镜或紧凑型显示器。他们还展示了如何利用光子“滑雪跳台”来精确控制量子计算系统中的量子比特。

“在芯片上，光通过导线传播，但在我们常规的自由空间里，光可以朝任意方向传播。这两个世界之间的对接长期以来一直是个难题。但现在，借助这一新平台，我们可以一次性创建数千束可独立控制的激光，与芯片外的世界交互，”麻省理工学院电子研究实验室（RLE）访问科学家、MITRE公司研究科学家、该论文共同第一作者Henry Wen表示。

论文共同第一作者还包括MITRE公司的Matt Saha、RLE和MITRE访问科学家Andrew S. Greenspon、MITRE公司的Matthew Zimmermann、亚利桑那大学教授Matt Eichenfeld，以及通讯作者、麻省理工学院电气工程与计算机科学系教授、量子光子学与人工智能研究组及RLE首席科学家Dirk Englund。其他合作者来自麻省理工学院、MITRE公司、桑迪亚国家实验室和亚利桑那大学。该研究发表于《自然》期刊。

可扩展平台

这项工作源于“量子登月计划”——由麻省理工学院、科罗拉多大学博尔德分校、MITRE公司和桑迪亚国家实验室合作，旨在利用Englund实验室开发的基于金刚石的量子比特构建新型量子计算平台。

这些金刚石量子比特需用激光束控制，因此研究人员需要一种能同时与数百万量子比特交互的方法。

“我们无法控制百万束激光，但可能需要控制百万个量子比特。因此需要一种能将激光发射到自由空间并大范围扫描的装置，就像在体育场向观众席发射T恤炮那样，”Wen解释道。

现有光子芯片的光发射与导向技术通常只能同时处理少数光束，无法扩展至与数百万量子比特交互的规模。为构建可扩展平台，该团队开发了新型制造工艺。该方法制备的光子芯片具有从表面向上弯曲的微结构，可将激光束发射至自由空间。

他们通过两种不同材料构建双层结构，为光打造微型“滑雪跳台”。每种材料在从高温冷却时膨胀率不同。研究人员为每层设计特殊图案，使得温度变化时，材料间的应变差会导致整个结构在冷却过程中向上弯曲。

这与老式恒温器原理相同——利用两种金属材料的线圈随室温变化卷曲/展开来触发空调系统。“氮化硅和氮化铝本是两种独立材料，找到将它们结合的方法才是实现滑雪跳台的制造创新。这离不开桑迪亚国家实验室Matt Eichenfield和Andrew Leenheer的开创性贡献，”Wen强调。

芯片上连接的波导将光引导至滑雪跳台结构。研究人员采用一系列调制器快速精确控制光的开关，从而实现光的芯片外投射与自由空间操控。

用光作画

他们能发射不同颜色的光，并通过调整光频来改变发射图案的密度，从而实现在自由空间中“绘制”光画。“该系统极其稳定，甚至无需纠错。图案能自行保持完美静止。我们只需计算特定时刻需要开启哪种颜色的激光并执行即可，”他解释道。

由于单个光点（像素）极其微小，该平台可生成超高分辨率图像。Wen指出，其技术能在智能手机两个像素的面积内容纳30,000个像素。“我们的平台是理想光学引擎，因为其像素已达到物理尺寸极限，”他补充道。

除高分辨率显示器和基于金刚石量子比特的大型量子计算机外，该方法还可用于制造能安装在微型机器人上的激光雷达。该技术也可应用于激光固化树脂的3D打印工艺。因其芯片能极快速生成可控光束，可大幅提升打印速度，实现更复杂物体的制造。

未来，该团队计划扩大系统规模，开展光产量与均匀性实验，设计能捕获多芯片“滑雪跳台”光线的大型系统，并进行设备耐久性测试。“我们预见这将开启芯片实验室新纪元，以及光刻定义的微型光机械代理时代，”Wen展望道。

该研究获得了MITRE量子登月计划、美国能源部和集成纳米技术中心的资助。