Nature | 芯片不再只是“导光”，还能“发射光”！

在芯片内部，光沿着波导（类似导线）传播；而在我们熟悉的自由空间中，光则自由发散。如何高效连接这两个迥异的世界，长期以来是领域内的核心挑战。近期，麻省理工学院（MIT）研究团队利用氮化硅与氮化铝的热膨胀差异，开发出一种类似“微型滑雪跳台”的向上卷曲结构，首次实现了光线从芯片表面到自由空间的大规模、精准可控发射。相关研究成果发表在Nature上。（原文连接：https://optics.org/news/17/3/21）

图1 向上卷曲的发光微结构，形似微型滑雪跳台

该平台具有极高的稳定性和像素密度，其像素尺寸接近物理极限，无需复杂纠错即可投影高分辨率全彩图像，整体尺寸仅约为一粒食盐的一半。这项技术使研究人员能够一次性生成数千束可独立调控的激光，使其精准地与芯片外的物理世界进行交互，不仅能为轻便型AR眼镜和超紧凑显示器提供理想的光学引擎，还能在量子计算中实现对数百万个金刚石比特的并行操控。此外，其在小型机器人激光雷达（LiDAR）及高速3D打印领域也展现出应用潜力。

此项研究的源头可追溯至“量子登月计划”。该项目由MIT、科罗拉多大学博尔德分校、MITRE公司及桑迪亚国家实验室联合推进，其核心目标是基于MIT MIT 电子工程与计算机科学系（EECS） Englund实验室所开发的金刚石色心量子比特技术，构建下一代量子计算平台。操控这些金刚石量子比特需要依赖激光束，这意味着研究人员必须攻克一项难题——如何同时与数百万个量子比特建立光学连接？论文第一作者Henry Wen以生动的比喻解释道：“我们很难直接操控一百万束独立的激光，但量子计算需要操控一百万个量子比特。因此，我们需要一种能够向自由空间投射光束，并能实现广域扫描的设备，就好比用一种‘T恤衫’发射器，精准地向体育场里的每一位观众发射T恤。”

为构建这一可扩展平台，研究团队开创了一种全新的制造工艺。该工艺在光子芯片表面制备出向上弯曲的微结构，这些结构如同一个个微型跳台，将激光束精准地投向自由空间，其巧妙之处在于利用两种不同材料构建双层结构：由于这两种材料（氮化硅与氮化铝）在高温制造后的冷却过程中收缩率（即热膨胀系数）存在差异，从而产生内应力，使结构自发向上卷曲。研究人员在每一层都预制了特定图形，当温度变化时，材料间的应变差异便会驱动结构“自组装”成预设的弯曲形态；这一原理与传统的双金属片温控器异曲同工：后者利用两种金属的热胀冷缩差异，使线圈随温度变化而发生卷曲或伸展，从而控制空调开关。Henry Wen解释道：“氮化硅和氮化铝此前分属于不同的技术应用领域。我们创新性地将它们结合在一起，正是实现这种‘滑雪跳台’结构的关键。这离不开桑迪亚国家实验室的Matt Eichenfield和Andrew Leenheer的卓越贡献。”

在芯片内部，密集互联的光波导网络将光精确输送至每个“滑雪跳台”结构。通过集成的一系列高速光调制器，研究人员可以独立控制每束光的通断与强度，从而实现对出射光束的灵活调控，使其在自由空间中按需偏转或扫描。

Henry Wen介绍道：“该系统极其稳定，以至于我们完全不需要进行误差校正。投射出的图案能自发保持绝对静止。我们只需计算出特定时刻需要开启哪种颜色的激光，然后直接执行指令即可。”

得益于单个光点（即像素）的尺寸极其微小，该平台为开发超高分辨率显示器提供了理想方案。Henry Wen指出，在当今智能手机屏幕仅能容纳两个像素的同等面积上，这项技术可以集成多达三万个独立可控的像素。他补充道：“我们的平台是一个理想的光学引擎，因为它所生成的像素，在物理尺寸上已逼近极限。”

除了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，该方法还可用于制造体积微小、可集成于微型机器人的激光雷达芯片。在3D打印领域，该技术同样潜力巨大。传统立体光刻技术利用激光逐层固化树脂来成型，而该芯片能够以极高速度生成可精确控制的光束阵列，有望显著提升打印效率与精度，使制造结构更为复杂的物体成为可能。

展望未来，研究团队计划进一步扩大系统规模，并围绕出光效率与光束均匀性展开更深入的实验探索。同时，他们正着手设计一个规模更大的集成系统，用于捕获并处理来自多个“滑雪跳台”光子芯片阵列的光信号，并进行鲁棒性测试，以全面评估器件的工作寿命与可靠性。Henry Wen展望道：“我们有理由相信，这项技术将为新一代‘芯片实验室’功能以及由光刻技术定义的微型光机电一体化机器人，开启一扇全新的大门。”

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2026年4月30日

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科学编辑 | 佚名