2026年10月7日——当今大多数计算机芯片——有时也被称为传统集成电路——利用电子，通过半导体材料和金属组件来传输信号。相比之下，光子集成电路使用更快的信号载体，例如光子或量子化“光粒子”。过去几十年来，许多学术界和产业界研究人员一直在寻找将光子材料集成到芯片上的方法。通过实现高速传输数据的光学链路，这些研究人员试图为人工智能（AI）系统、光子计算、共封装光学（CPO）以及传感和量子技术的新方法制造新型芯片。

然而，将所需的光子材料集成到芯片架构中一直是一项挑战——而圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院的研究人员已开始解决这一挑战。

“我们开发了一种制造工艺，将为我们设计这些新型光子芯片提供更大的自由度，”圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院机械工程与材料科学助理教授 Sang-Hoon Bae 说。Bae 是这项研究的共同通讯作者，该研究现已发表在《自然》上，内容涉及用于多功能光子电路的模块化材料框架。

Bae 的同事 Lan Yang 是 Edwin H. & Florence G. Skinner 电气与系统工程讲席教授，也是该项目的共同首席研究员——并且是集成光子学领域的世界顶尖专家。

作为材料科学家的 Bae 表示，早在加入圣路易斯华盛顿大学之前，他就希望与 Yang 合作。这项工作历时多年，但他们的团队共同找到了合适的工艺和材料，为光子芯片增添新能力。

“硅光子学为我们提供了强大的基础，芯片制造和设计领域已有数十年的投资，”Yang 说。“异质集成让我们能够在这一基础上继续发展，同时添加能够以硅自身无法做到的方式控制和探测光的材料。这对于拓展集成光子学的功能至关重要。”

“让所有最好的芯片都使用光子，是该行业最有趣、最引人注目的方向之一，”Bae 说。他说，到目前为止，问题一直是一项材料挑战——也就是说，要找到能够与当前芯片架构集成，同时最大化光子集成度的理想材料。

在他们新发表的论文中，该团队详细介绍了他们如何开发这些材料，并展示了这些材料在光子学方面的用途。“我们展示了快得多的调制和高效隔离，”Bae 说。“我们还展示了宽光谱光探测，并提供了完整的功能套件。”

该框架通过将超薄、自支撑单晶纳米膜转移到预制光学电路上，为成熟的硅和氮化硅光子芯片带来新功能和新能力。圣路易斯华盛顿大学的研究人员开发出堪称自助餐式的超薄膜，可将其直接放置到需要其多样化特性——包括电学、磁学或光学特性——的位置，从而避开了直接在硅上生长材料所面临的已知限制。这些框架就像光子乐高积木，为技术开发人员在构建驱动现代世界的电路时提供了多得多的选择。

“每种材料都有自己的优势，”Yang 说。“通过分别生长高质量晶体，然后将其转移到现有光子电路上，我们获得了更多自由，可以选择所需功能对应的材料。我们还可以将材料并排组合或堆叠起来，从而将多种功能集成到一个器件中。”

例如：

• 单晶钛酸钡（BTO）纳米膜可实现高效电光调制。
• 钴铁氧体（CFO）纳米膜为其工具箱带来了非互易光控制。
• 砷化镓和氮化镓膜被横向集成到氮化硅上，利用同一芯片上的不同器件，探测从紫外到近红外的选定波长光。
• 在硅微环谐振器上堆叠钛酸钡和钴铁氧体，将电光与磁光功能结合起来，用于多功能光子应用。

Bae 和 Yang 表示，这仅仅是开始。如今，借助将不同功能材料引入同一平台的新方法，他们的工作为设计光子系统打开了更多选择的大门。研究人员可以根据每种应用的需求，构建不同的材料组合。