光子集成电路是重要的下一代技术。这些复杂的微芯片有可能大幅降低电子设备的成本并提高电子设备的速度和效率，这些应用领域包括汽车技术、通信、医疗保健、数据存储和人工智能计算。

光子电路使用光子(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实现此目的的方式大致相同。如今，光子芯片已经在先进的光纤通信系统中使用，并且正在开发它们以在不久的将来技术中实现，包括用于自动驾驶汽车的光检测和测距(LiDAR);用于医疗设备的光传感器;5G和6G通信网络;以及光学和量子计算。

鉴于光子集成电路现有和未来的广泛用途，获得能够为研究、研究和工业应用制造芯片设计的设备也很重要。然而，当今的纳米制造设施的建设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进行用于制造这些微芯片的严格且耗时的光刻工艺。最重要的是，如果设计中出现错误，或者芯片因其他原因无法正常工作，则必须丢弃有故障的电路，调整设计，并制造新芯片。这通常会导致在洁净室中度过数天甚至数周。

但现在，正如《科学进展》上的一篇新论文所述，华盛顿大学领导的研究小组设计了一种绕过昂贵的纳米制造设施并几乎在任何地方生产光子集成电路的方法。

该团队开发了一种创新方法，可以通过激光写入器将这些电路写入、擦除和修改为相变材料薄膜，类似于可刻录 CD 和 DVD 所使用的材料。这种新工艺使得光子集成电路的构建和重新配置只需纳米制造实验室所需时间的一小部分。

这个跨大学团队由威斯康星大学电气与计算机工程和物理学系教授 Mo Li 领导，他是该系的研究副主任、纳米工程系统研究所的成员以及该论文的高级作者。

“光子技术即将出现;因此，我们需要在这一领域培训或教育我们的学生。但对于学生来说，要学习光子电路并获得实践经验，目前他们需要使用价值数百万美元的设施，”李说。

“这项新技术解决了这个问题。使用我们的方法，以前必须在昂贵且难以访问的设施中制造的光子电路现在可以在实验室、教室甚至车库车间中通过快速、低成本的方式进行打印和重新配置。 - 设备成本约为传统桌面激光打印机的大小。”

为学生、研究人员和行业带来的好处

学生并不是唯一从这种创建光子集成电路的新方法中受益的人。对于研究人员来说，这一进步将使原型设计和测试新想法的周转时间更快，然后再在纳米制造设施中预订宝贵的时间。

对于工业应用来说，这种生产光子集成电路的方法的一大优势是可重构性。例如，公司可以使用这项技术在数据中心创建可重新配置的光学连接，特别是在支持人工智能和机器学习的系统中，这将节省成本并提高生产效率。

Li 的研究团队包括威斯康星大学 ECE 研究生 Changming Wu，他是该论文的主要作者，并与 Li 一起提出了这种构建光子集成电路的新颖方法的想法。华盛顿大学 ECE 研究生邓浩勤也为此做出了贡献。他们的工作是威斯康星大学六年研究的最新成果，其中包括光学计算方面的进展。这也是与马里兰大学 Ichiro Takeuchi 和 Carlos A. Ríos Ocampo 教授及其学生富有成效的合作的延续。

“能够仅使用一个步骤来编写整个光子电路，而不需要复杂的制造过程，这确实令人兴奋。事实上，我们可以在自己的实验室中对电路的任何部分进行任何修改并重写和重做它，这一点非常令人兴奋。”太棒了，”吴说。“与一整天的过程相比，这只需几分钟。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，这是一个巨大的缓解。”

提高性能，构建商业设备

该团队开发的方法已被证明是有效的，但它仍然是一个早期阶段的概念。然而，李已经提交了临时专利申请，并且他正在计划构建用于光子集成电路的桌面激光写入器。该打印机可以以实惠的价格出售，并广泛分发给世界各地的研究实验室和教育机构。他还与行业领导者合作，推动这项新技术在可编程光子芯片和可重构光网络中的可能应用。

这种用于光子芯片的激光打印机将使用分级系统，该系统将以比传统桌面打印机更精确的方式移动基材。该团队将在构建原型时寻求优化其性能的方法。他们还将致力于通过材料科学和激光写入技术的进一步研究来减少所使用的相变材料的光学损耗。这将使打印机能够生产出比目前更详细、更复杂的电路。

李说，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电路，但它也可以添加到现有的电子电路中。而且由于它是可重新配置和可重复使用的，它为学生、研究人员和工业界带来了许多可能性，”李说。“最令我兴奋的是，通过向更广泛的研究界传播这种新工具和技术，我们可能会对光子学领域产生巨大影响。”

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