我们正处在一个计算技术变革的边缘，一个由光驱动的数字宇宙正在逐渐成型。随着对更快、更高效计算需求的不断增长，半导体行业正经历着前所未有的创新浪潮。虽然传统的电子芯片仍在不断进步，但其在速度和能耗上的局限性促使我们转向光学计算——一种利用光来处理和传输信息的全新范式。近期在光学芯片制造方面取得的突破，预示着一场潜在的革命，这场革命将波及量子技术、电信、人工智能和传感等多个领域。
光学芯片的核心优势在于其潜在的超高计算速度和低能耗。然而，长期以来，制造这些芯片一直面临着严峻的挑战。这些挑战主要集中在如何组装构成光学芯片的微小光控元件，以及如何设计高效且可靠的光源。
首先，关键在于如何有效且经济地组装这些极其微小的光学元件。这些元件，例如光子晶体腔（PhCCs），是光学芯片实现其功能的核心。传统的组装方法往往复杂且成本高昂，这极大地限制了光学芯片的规模化生产。苏格兰斯特拉斯克莱德大学的研究人员取得了一项突破性的进展。他们开发了一种新颖的组装方法，能够从硅晶圆上物理移除单个PhCC，并将它们精确地放置到新的芯片上。这项技术的核心在于对每个PhCC的光学特性进行实时测量和排序。这种精确的控制对于创建高性能光学系统至关重要，确保每个组件在其所属的更大的电路中都能最佳地运行。更重要的是，这项技术为规模化生产铺平了道路，这是光学芯片技术实现广泛应用的关键一步。此前，组装工艺一直严重制约着下一代光学芯片的发展，这项突破性技术解决了这一核心制造难题，承诺带来数据处理能力的显著提升。
其次，开发高效光源一直是光学芯片研究的另一个重要焦点。传统硅光子学虽然前景广阔，但在创建电泵浦激光器方面却面临挑战，而电泵浦激光器是实现实际应用的关键组件。但德国于利希研究中心最近取得的进展克服了这一障碍，他们成功研制了首个第四族电泵浦激光器。这种激光器在硅晶圆上以低功耗运行，为下一代微芯片提供了具有成本效益且高效的解决方案。同时，科学家们也在积极探索替代材料和方法来进一步提升性能。例如，台积电（TSMC）正与Avicena合作，研究基于microLED的互连技术，作为激光器的潜在替代方案，旨在实现更高的能源效率和更低的成本，尽管这可能在光纤数量上有所牺牲。此外，深紫外（DUV）激光器的进步也带来了新的可能性，这些激光器能够产生高能量的短波长光，为精密芯片制造，甚至产生具有轨道角动量的涡旋光束提供了可能——这项技术在量子技术和先进制造领域具有广阔的应用前景。
除了技术上的突破，全球对光学芯片的投入也正在快速增长。中国已认识到这项技术的战略重要性，将其与“数字人”和互联网卫星一同列为关键的科研攻关项目。中国科学家甚至展示了一种“零成本”大规模生产光学芯片的方法，这有望缓解美国制裁的影响，并增强其国内的技术实力。这种推动也体现在研究产出的显著增加上，目前中国在下一代计算机芯片技术领域的论文发表量已是美国的两倍。这种增加的投资和创新，是受到光学芯片在加速6G通信、实现先进雷达系统以及支持日益增长的人工智能和量子计算需求的潜力所驱动的。芯片内置激光器的开发以及对薄膜铌酸锂等材料的探索，正在进一步加速这一进展，中国已经启动了其首条此类先进芯片的生产线。人工智能的需求也是主要驱动力，光学处理器特别针对人工智能推理任务而设计，并具有在光学量子计算中的应用潜力。
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