华盛顿大学研究团队开发出用于光子芯片的激光打印机

光子集成芯片是一项重要的下一代技术。这些精密的微芯片有望大幅降低成本，提高电子设备的速度和效率，应用领域广泛，包括汽车技术、通信、医疗保健、数据存储和人工智能计算。光子芯片使用光子（光的基本粒子）来移动、存储和访问信息，其方式与传统电子电路使用电子的方式基本相同。如今，光子芯片已在先进的光纤通信系统中得到应用，并且正在被开发应用于广泛的未来技术中，包括用于自动驾驶汽车的光探测和测距（LiDAR）、用于医疗设备的光基传感器、5G 和 6G 通信网络以及光学和量子计算。

鉴于光子集成芯片在现有和未来的广泛用途，获得能够为学习、研究和工业应用制造芯片设计的设备也非常重要。然而，当今的纳米制造设施的制造成本高达数百万美元，远远超出了许多学院、大学和研究实验室的能力范围。对于那些能够使用纳米制造设施的人来说，必须至少预留一天的时间来完成用于制造这些微型芯片的严格而耗时的光刻工艺。此外，如果设计出错，或者芯片因其他原因不能正常工作，就必须丢弃有问题的方案，调整设计，并制造出新的芯片。这往往需要在无尘室中耗费数天甚至数周的时间。

但现在，正如《Science Advances》上的一篇新论文所描述的那样，华盛顿大学领导的一个研究团队已经设计出一种方法，可以绕过昂贵的纳米制造设施，几乎在任何地方生产光子集成芯片。

直写和可重写相变光子集成芯片。(A) Sb2Se3 薄膜上自由形态直写和重写 PIC 的示意图。(B) cSb2Se3 光波导结构的横截面图。波导直接写入 PCM 薄膜中，无需制作过程。(C) cSb2Se3 波导中 TE0 模式的模拟 |E|2 曲线，该波导宽 1.2 μm，厚 30 nm，位于 330 nm 厚的 Si3N4-on-insulator 衬底之上，并以 200 nm 厚的 SiO2 作为保护层。(D) 写在 cSb2Se3 薄膜上的 aSb2Se3 分辨率测试图案的光学图像。实现的最小特征尺寸为 300 nm。(E) 与 (D) 中相同的测试图案被擦回到 cSb2Se3 上。资料来源：Changming Wu，《Freeform direct-write and rewritable photonic integrated circuits in phase-change thin films》，《Science Advances》（2024）。

该团队开发了一种创新方法，可以通过激光打印机将这些回路写入、擦除和修改到相变材料薄膜中，类似于用于可录 CD 和 DVD 的材料。通过这种新工艺，光子集成芯片的构建和重新配置只需纳米制造实验室所需的一小部分时间。

华盛顿大学电气与计算机工程和物理系教授Mo Li领导了这个由多所大学组成的团队，他是该系的研究副主任、纳米工程系统研究所的成员，也是这篇论文的资深作者。Mo Li 教授说：光子技术即将到来，因此我们需要对学生进行这方面的培训或教育。但要让学生学习光子芯片并获得实践经验，目前他们需要使用价值数百万美元的设施。这项新技术解决了这一问题。利用我们的方法，以前必须在昂贵且难以进入的设施中制造的光子芯片，现在可以在实验室、教室甚至车库车间中，通过与传统台式激光打印机差不多大小的快速、低成本设备进行打印和重新配置。

为学生、研究人员和企业带来的益处
 

从这种新的光子集成芯片制造方法中受益的不仅仅是学生。对于研究人员来说，在预定纳米制造设施的宝贵时间之前，这一进步将大大缩短原型设计和测试新想法的周转时间。

对于工业应用而言，这种生产光子集成芯片的方法的一大优势是可重构性。例如，公司可以利用这种技术在数据中心，特别是在支持人工智能和机器学习的系统中创建可重新配置的光连接，从而节省成本，提高生产效率。

Mo Li 教授的研究团队包括华盛顿大学欧洲经委会的研究生 Changming Wu，他是论文的第一作者，与Mo Li 教授一起提出了这种构建光子集成芯片新方法的想法。华盛顿大学欧洲经委会的研究生 Haoqin Deng 也参与了这项工作。他们的工作是华盛顿大学六年来研究的最新成果，其中包括光计算方面的进展。这也是与马里兰大学 Ichiro Takeuchi 教授和 Carlos A. Ríos Ocampo 教授及其学生富有成效的合作的延续。
 

Changming Wu 说：能够只用一个步骤就制造出整个光子芯片，而不需要复杂的制造过程，这确实令人兴奋。我们可以在自己的实验室里对芯片的任何部分进行修改，然后重写和重做，这一点非常了不起。与长达一整天的过程相比，这只是几分钟的事。能够在几分钟内完成整个制造过程，而不是通常需要几天甚至一周的时间，这让我们松了一口气。

提高性能，打造商用设备
 

该团队开发的方法已被证明有效，但它仍然是一个早期阶段的概念。不过，Mo Li 教授已经提交了一份临时专利申请，而且他正在计划制造一种用于光子集成芯片的台式激光打印机。这种打印机可以实惠的价格出售，并广泛分销给世界各地的研究实验室和教育机构。他还在与行业领导者接触，以促进这一新技术在可编程光子芯片和可重构光网络中的可能应用。

这种光子芯片激光打印机将使用一个分级系统，以比传统桌面打印机更精确的方式移动基片。在制作原型的过程中，该团队将寻求优化其性能的方法。他们还将通过对材料科学和激光打印技术的进一步研究，努力减少所使用的相变材料的光学损耗。这将使打印机能够打印出比目前更精细、更复杂的芯片。
 

Mo Li 教授说：他和他的研究团队对未来的发展感到非常兴奋。这项技术可以创建你想要的光子芯片，也可以将其添加到现有的电子电路中。由于它是可重构和可重复使用的，它为学生、研究人员和工业界带来了许多可能性。最让我兴奋的是，我们有可能对光子学领域产生巨大影响，向更广泛的研究界传播这种新工具和技术。

参考文献：Changming Wu，《Freeform direct-write and rewritable photonic integrated circuits in phase-change thin films》，《Science Advances》（2024）。