海德堡新成果，光子芯片邁入規(guī)?；a(chǎn)時(shí)代。

海德堡大學(xué)的物理學(xué)家和化學(xué)家們成功研制出一種突破性的光子微芯片，其核心創(chuàng)新在于實(shí)現(xiàn)了類似電子元件的“插頭式”光纖-芯片耦合功能。這一由基爾霍夫物理研究所沃爾夫拉姆?佩爾尼切教授領(lǐng)導(dǎo)的研究成果，發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊《科學(xué)進(jìn)展》，不僅為光子集成系統(tǒng)的快速量產(chǎn)與成本優(yōu)化奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)，更向創(chuàng)新型計(jì)算與通信技術(shù)的實(shí)用化邁出了決定性一步 —— 這類集成系統(tǒng)被公認(rèn)為突破當(dāng)前技術(shù)瓶頸、實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)處理的核心支撐。

光子芯片（藍(lán)色）通過3D打印耦合器（綠色）連接到玻璃光纖陣列（黑色）。來源：Erik Jung

光子芯片為何重要

光子集成電路（PIC）作為以光信號(hào)替代電信號(hào)傳輸信息的新型微芯片，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)源于光子的本質(zhì)特性與微納集成工藝的深度融合。與傳統(tǒng)電子系統(tǒng)相比，光子芯片的帶寬容量可達(dá)電子芯片的數(shù)百倍，單通道傳輸速率已實(shí)現(xiàn) 320Gbps 的穩(wěn)定運(yùn)行，多維度復(fù)用技術(shù)下更是突破 38Tb/s，遠(yuǎn)超當(dāng)前 5G 網(wǎng)絡(luò)的傳輸極限；數(shù)據(jù)傳輸延遲低至納秒級(jí)，僅為電子傳輸?shù)那Х种唬欢淠芎膬?yōu)勢(shì)更為顯著，每傳輸 1 比特?cái)?shù)據(jù)的能量消耗僅為電子芯片的數(shù)百分之一，能有效解決大型數(shù)據(jù)中心的散熱難題。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，光子芯片通過微納加工技術(shù)將波導(dǎo)、光源、調(diào)制器、探測(cè)器等核心光學(xué)元件集成于單一芯片表面，以緊湊的片上結(jié)構(gòu)徹底取代了傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)中依賴鏡子、透鏡的笨重分立設(shè)計(jì)，集成度已達(dá)到每平方毫米包含上百個(gè)光學(xué)器件的水平。這種高度集成化特性，使其在量子通信、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算、光高速通信等前沿領(lǐng)域具備不可替代的創(chuàng)新潛力。 在量子通信中，光子的抗電磁干擾特性可保障信息傳輸?shù)慕^對(duì)安全；在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中，光信號(hào)的并行處理能力能模擬人腦神經(jīng)元的協(xié)同工作模式；而在高速通信領(lǐng)域，其超寬帶特性可滿足 6G 時(shí)代 Tbps 級(jí)的傳輸需求，支撐超高清視頻、AR/VR、遠(yuǎn)程醫(yī)療等帶寬密集型應(yīng)用的普及。

精確光耦合的挑戰(zhàn)

盡管光子芯片具備諸多優(yōu)勢(shì)，但光子集成電路（PIC）的規(guī)模化應(yīng)用長(zhǎng)期受限于數(shù)據(jù)耦合與解耦的技術(shù)瓶頸。在光通信鏈路中，光纖作為光信號(hào)的傳輸載體，需與芯片實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)接以最小化信號(hào)損耗。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，光纖與芯片的定位精度需控制在各方向均小于5微米，這一精度相當(dāng)于人類頭發(fā)直徑的十分之一，一旦偏差超出范圍，將導(dǎo)致超過 90% 的光信號(hào)損失。

此前，行業(yè)普遍采用主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一精度要求：在芯片運(yùn)行過程中，需通過精密儀器對(duì)光纖進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整以達(dá)到最佳傳輸狀態(tài)，隨后進(jìn)行固定定型。海德堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)指出，這一過程不僅耗時(shí)耗力，單套設(shè)備的對(duì)準(zhǔn)調(diào)試往往需要數(shù)小時(shí)，還導(dǎo)致生產(chǎn)成本居高不下，且難以適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)線的要求。為解決這一問題，部分研究機(jī)構(gòu)嘗試在光纖和芯片表面集成微型透鏡以放寬對(duì)準(zhǔn)精度，但微透鏡的制造涉及復(fù)雜的光刻與鍍膜工藝，且僅能適配特定波長(zhǎng)范圍，這與光子芯片的高帶寬核心優(yōu)勢(shì)形成沖突，限制了其應(yīng)用場(chǎng)景的拓展。

一種用于光芯片的插頭式解決方案

針對(duì)傳統(tǒng)耦合技術(shù)的缺陷，海德堡大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套全新的光纖- 芯片連接方案，其核心創(chuàng)新在于 “插頭式” 設(shè)計(jì)與高精度 3D 微打印技術(shù)的結(jié)合。研究人員首先制備了帶有精確對(duì)準(zhǔn)玻璃端面的光纖電纜，該電纜配備標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)準(zhǔn)孔，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)上的快速定位；而耦合所需的對(duì)應(yīng)接口部件 —— 即起到 “插頭” 作用的核心組件，則通過雙光子聚合（TPP）3D 納米打印技術(shù)直接制造在光子微芯片表面。這種增材制造工藝具備亞微米級(jí)分辨率，能夠靈活定制耦合器幾何結(jié)構(gòu)，無需額外的光刻掩模即可實(shí)現(xiàn)高效的模式匹配。

光纖與光子芯片的耦合和解耦通過三維打印的全反射耦合器完成，該耦合器采用雙橢圓幾何設(shè)計(jì)，通過兩次連續(xù)的全內(nèi)反射（TIR）實(shí)現(xiàn)光波的低損耗重定向。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，這種超寬帶耦合器的插入損耗低至 1.3dB，1dB 帶寬超過 800nm，專為 1500 至 1600 納米的電信常用波長(zhǎng)范圍設(shè)計(jì)，且在該區(qū)間內(nèi)展現(xiàn)出與波長(zhǎng)無關(guān)的穩(wěn)定傳輸特性。值得注意的是，該耦合器還具備優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和機(jī)械可靠性，經(jīng)過多次熱循環(huán)測(cè)試后仍能保持性能穩(wěn)定，為實(shí)際應(yīng)用環(huán)境提供了可靠性保障。

對(duì)未來計(jì)算系統(tǒng)的影響

“這種‘即插即用’的解決方案保證了在耦合過程中不會(huì)丟失任何數(shù)據(jù)，” 佩爾尼切教授研究團(tuán)隊(duì)的博士生埃里克?榮格表示。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，研究人員利用該新型耦合方案，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì) 17 端口神經(jīng)形態(tài)光子處理器的高效尋址，數(shù)據(jù)傳輸速率與穩(wěn)定性均達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。這一成果證明了該技術(shù)在復(fù)雜光子集成系統(tǒng)中的可行性，為多端口、高集成度光子芯片的開發(fā)提供了關(guān)鍵支撐。

“我們的方法展示了如何輕松實(shí)現(xiàn)光控微芯片的高帶寬、低損耗和可擴(kuò)展連接。這種‘插頭’為光子集成系統(tǒng)的自動(dòng)化、可重復(fù)和高效大規(guī)模生產(chǎn)鋪平了道路，” 沃爾夫拉姆?佩爾尼切教授解釋道。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該方案將光纖 - 芯片耦合的時(shí)間從數(shù)小時(shí)縮短至分鐘級(jí)，且無需專業(yè)技術(shù)人員操作，顯著降低了規(guī)模化生產(chǎn)的門檻。埃里克?榮格補(bǔ)充指出，這種連接方案還兼容電子 - 光子混合集成系統(tǒng)，支持模塊化、靈活可重構(gòu)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，這意味著它可以與現(xiàn)有電子芯片制造工藝無縫對(duì)接，加速技術(shù)落地進(jìn)程。

從行業(yè)影響來看，該“插頭式” 耦合技術(shù)不僅解決了光子芯片量產(chǎn)的核心瓶頸，還為下一代計(jì)算與通信系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的可能。在量子計(jì)算領(lǐng)域，低損耗耦合技術(shù)可提升量子比特的傳輸保真度；在光通信領(lǐng)域，其超寬帶特性可支撐更高效的波分復(fù)用系統(tǒng)；在光學(xué)傳感器技術(shù)中，模塊化設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)傳感器陣列的快速重構(gòu)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，這種 “光插頭” 有望成為 6G 通信、量子信息處理、智能傳感等未來科技的核心組件，推動(dòng)人類社會(huì)進(jìn)入高效、低耗的光子技術(shù)時(shí)代。

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