光子集成電路是下一個重要的技術浪潮。這些精密的微芯片有可能大幅降低成本，提高電子設備在廣泛的應用領域（包括汽車技術、通信、醫(yī)療保健、數(shù)據(jù)存儲和人工智能計算）中的速度和效率。

光子電路使用光子（光的基本粒子）來移動、存儲和訪問信息，這與傳統(tǒng)電子電路使用電子來達到這一目的的方式基本相同。光子芯片目前已經在先進的光纖通信系統(tǒng)中使用，并且正在開發(fā)用于在廣泛的近期技術中實施，包括用于自動駕駛汽車的光探測和測距或激光雷達、用于醫(yī)療設備的基于光的傳感器、5G和6G通信網絡、以及光學和量子計算。

鑒于光子集成電路的現(xiàn)有和未來用途廣泛，獲得可以制造芯片設計的設備以用于學習、研究和工業(yè)應用也很重要。然而，今天的納米制造設施耗資數(shù)百萬美元建造，遠遠超出了許多學院、大學和研究實驗室的能力范圍。

對于那些能夠使用納米制造設施的人來說，至少必須預留一天的時間用于制造這些微芯片的嚴格而耗時的光刻工藝。此外，如果設計出現(xiàn)錯誤，或者芯片因其他原因無法正常工作，則必須丟棄有故障的電路，調整設計并制造新的芯片。這通常會導致在潔凈室中花費數(shù)天甚至數(shù)周的時間。

但正如《科學進展》（Science Advances）的一篇新論文所述，華盛頓大學領導的一個研究小組已經設計出一種方法，可以繞過昂貴的納米制造設施，在幾乎任何地方生產光子集成電路。

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使用一種快速，低成本的設備來打印和重新配置光子集成電路（微芯片），其大小與傳統(tǒng)桌面激光打印機差不多。

該團隊開發(fā)了一種創(chuàng)新方法，通過激光寫入器將這些電路寫入、擦除和修改成相變材料薄膜，類似于用于可記錄CD和DVD的材料。這種新工藝允許在納米制造實驗室花費的時間的一小部分內構建和重新配置光子集成電路。

這支多所大學組成的團隊由華盛頓大學電氣與計算機工程和物理學教授Mo Li領導，他是該系的研究副主席，納米工程系統(tǒng)研究所的成員，也是這篇論文的資深作者。

Li表示：“光子技術即將到來，因此，我們需要在這個領域培訓或教育我們的學生。但是，對于學生來說，學習和實踐光子電路，目前，他們需要使用價值數(shù)百萬美元的設備。這項新技術解決了這個問題。使用我們的方法，以前必須在昂貴且難以進入的設施中制造的光子電路現(xiàn)在可以在實驗室、教室甚至車庫車間通過快速、低成本的設備進行打印和重新配置，該設備的大小與傳統(tǒng)的臺式激光打印機相似。”

對學生、研究人員和行業(yè)的益處

學生并不是唯一受益于這種制造光子集成電路新方法的人。對于研究人員來說，這一進步將使原型制作和測試新想法的周轉時間大大加快，從而節(jié)省在納米制造設施中預訂寶貴時間。

對于工業(yè)應用而言，這種生產光子集成電路的方法的一大優(yōu)勢是可重構性。例如，公司可能使用這種技術在數(shù)據(jù)中心創(chuàng)建可重構的光學連接，特別是在支持人工智能和機器學習的系統(tǒng)中，這將導致成本節(jié)約和生產效率的提高。

Li的研究團隊包括華盛頓大學電子與計算機工程研究生Changming Wu，他是這篇論文的第一作者，并與Li一起提出了這種構建光子集成電路的新方法。華盛頓大學電子與計算機工程研究生Haoqin Deng也為此做出了貢獻。他們的研究是華盛頓大學六年研究的最新成果，其中包括光學計算的進步。這也是與馬里蘭大學Ichiro Takeuchi教授、Carlos A. Ríos Ocampo教授及其學生富有成效合作的延續(xù)。

Wu說：“能夠僅用一步就寫出一個完整的光子電路，而不需要復雜的制造過程，這真的很令人興奮。而且，我們可以在自己的實驗室中對電路的任何部分進行任何修改，并重新編寫和重做，這一事實令人驚嘆�！薄斑@是幾分鐘與一整天過程的問題。能夠在幾分鐘內完成整個制造過程，而不是通常需要幾天甚至一周的時間，這讓人松了一口氣。”

提高性能，構建商用設備

該團隊開發(fā)的方法已被證明是有效的，但它仍然是一個早期概念。然而，Li已經提交了臨時專利申請，他正在計劃為光子集成電路建造一個臺式激光打印機。這種打印機可以以負擔得起的價格出售，并廣泛分發(fā)給世界各地的研究實驗室和教育機構。他還與行業(yè)領導者合作，以促進這項新技術在可編程光子芯片和可重構光學網絡中的可能應用。

這種用于光子芯片的激光打印機將使用一種分級系統(tǒng)，該系統(tǒng)將以比傳統(tǒng)臺式打印機更精確的方式移動基板。該團隊在構建原型時將尋求優(yōu)化其性能的方法。他們還將通過進一步研究材料科學和激光寫入技術，致力于減少他們使用的相變材料中的光學損失。這將使打印機能夠生產比目前更詳細和復雜的電路。

Li表示，他和他的研究團隊對未來感到非常興奮。

Li教授說：“這項技術可以創(chuàng)造你想要的光子電路，但它也可以添加到現(xiàn)有的電子電路中。而且由于它是可重新配置和可重復使用的，它為學生、研究人員和行業(yè)開辟了許多可能性。最讓我興奮的是，我們將有可能在向更廣泛的研究界傳播這種新工具和技術方面對光子學領域產生巨大影響�！�

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