2026年4月15日——将数十亿电子器件压缩在几平方英寸内的计算机芯片驱动了数字经济并改变了世界。科学家可能正站在发起另一场技术革命的临界点——这次的主角是光。

美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家与合作者取得重大突破，通过在硅晶圆上沉积特殊材料的复杂图案，开创了制造光集成电路的新方法。这些光子芯片利用激光器、波导、滤波器和开关等光学器件传输并处理光信号。这项进展将有力推动人工智能、量子计算机和光学原子钟等新兴技术的发展。

NIST物理学家Scott Papp表示：“我们正在学习制造具有多种功能的复杂电路，横跨众多应用领域。”其团队主导的这项研究本周发表于《自然》期刊。

光速革命

在信息传输与处理方面，光能实现电子无法完成的任务。光子（光的粒子）在电路中穿行速度远超电子。

激光对于控制光学原子钟和量子计算机等强大的新兴量子技术也至关重要。但集成光子学要真正发挥潜力仍面临多重障碍，其中之一就是激光器限制。目前高质量、紧凑高效的激光器仅能产生少数几种波长的光。

通过将激光器集成到芯片电路中，科学家希望帮助量子技术变得更便宜、更便携，从而兑现其巨大潜力。

多层架构方案

NIST的新型光子芯片采用类似千层糕的结构。研究团队在镀有二氧化硅（玻璃）和铌酸锂（一种能改变入射光颜色的非线性材料）的标准硅晶圆基础上，添加金属部件以电控方式实现光波长的转换。

关键突破是引入了五氧化二钽（坦塔拉）作为第二非线性材料。这种材料能实现近乎魔法的光转换——输入单一激光颜色，输出全色谱可见光及宽范围红外波长。通过三维堆叠不同材料，研究人员制造出能在各层间高效导光的单片芯片。

一芯多用潜力无限

量子技术可能是集成光子学的最大受益者之一。传统量子设备需要为不同原子定制特定波长的激光器，而这些笨重昂贵的激光系统严重限制了量子技术的实用化进程。

廉价、低功耗的便携式光学原子钟将能预测火山喷发和地震，提供GPS之外的定位导航方案，并帮助科学家探索暗物质等科学谜题。量子计算机则为研究药物和材料的物理化学特性提供新途径。

NIST光子芯片还可提升科技公司专用芯片间的信号传输效率，增强AI工具性能。该技术也有望改进虚拟现实显示效果。

虽然目前尚未实现量产，但NIST已与科罗拉多州初创公司Octave Photonics合作推进技术规模化。“当你在实验室看到芯片发光，将不可见光转化为全色谱可见光时，其应用潜力不言而喻。”Papp总结道。