局部碳沉积实现光子集成电路的微调

在芯片上磨亮光的路径

基于光的芯片有望实现更快的数据链路和强大的光学计算，但制造时难以做到完美。肉眼看不见的微小缺陷会将光偏离轨道并破坏性能。这项研究展示了如何用聚焦离子束在芯片上放置微小的碳补丁，在制造后轻柔地“再调谐”这些光路径，帮助未来的通信和计算硬件更接近其设计目标。

为什么光路需要精细修整

光子集成电路是用来引导和处理光而非电流的芯片。它们是光纤互联网链路、新兴量子计算机和用于人工智能的光学加速器的核心。其功能依赖于精心成型的波导来引导特定的光场分布。然而，在批量生产过程中产生的哪怕是极小的宽度或间距变化，也会改变光的传播，这些微小误差随着芯片复杂度增加而积累。因此工程师依赖于制造后应用的“微调”方法，在不重做整个芯片的情况下将器件调整回调谐状态。

将碳作为局部调节旋钮

作者探索了一种微调策略：使用聚焦离子束在击中芯片表面的同时分解含碳气体。这样可以在室温下以纳米级精度沉积一条类金刚石的无定形碳带。所加的薄层略微改变了光对下方波导的感知：其有效折射率增加，从而改变光模之间的转换与干涉。由于该工艺仅处理表面并保持承载光的材料核心完整，它避免了那些损伤或熔化波导本体方法所带来的更剧烈变化。

在敏感的光分路器上测试该方法

为检验这一方法，团队使用了非对称方向耦合器，这是一种将光从简单模态转换为更复杂模态再转换回来的片上分路器。这类器件对制造误差极为敏感，因为它们依赖不同光模之间的精确匹配。研究人员通过故意将一条波导略微偏离其理想形状，制造出具有额外损耗的耦合器，然后在窄波导上沉积碳线并测量传输变化。实验与仿真均表明，精心选定的碳几何形状可以恢复失衡，将插入损耗从数分贝降至某些器件中远低于1分贝，并在一组样品中提供约1.5到超过16分贝的调节范围。

保持低损耗与稳定性能

任何加入光路的额外材料都可能引入吸收，因此团队量化了碳带带来的惩罚。对简单测试波导和干涉仪的测量显示，碳层的损耗约为每厘米76分贝，但在本文中所用的短微调区域内，这相当于标准相移所引入的大约0.3至0.35分贝，类似于已建立的非易失性微调方法。电子显微镜与光谱学确认，碳以及来自离子束的镓限于薄沉积层内，在底层氮化硅波导中未检测到可见变化。热试验显示微调性能在约250摄氏度以下基本不变，长期测量发现光学响应在短暂初期漂移后稳定并可维持数周。

从单个器件到复杂光处理器

由于聚焦离子束可在无需任何光刻掩模的情况下绘制碳图案，该方法具有灵活性，适合研究级别的调试。作者通过改进更复杂结构的行为——包括马赫-曾德尔干涉仪和用于光学人工智能加速器中矩阵向量乘法的光子交叉阵列——演示了其实用性。在这些电路中，经微调的耦合器以更低的损耗组合不同空间模携带的信号，从而更有效地利用可用光能。

这对未来光基芯片意味着什么

简而言之，这项工作引入了一种精确、低功耗的方式来在制造后“修补”光电路：在需要的地方绘上微小的碳笔触。它尚未取代工厂规模的流程，但表明表面碳补丁可以在不损伤芯片核心且附加损耗适度的情况下细致调节关键组件。随着光子芯片规模和复杂度的增长，这类局部微调工具可能在将近乎正确的器件转变为完全可用器件方面变得重要，尤其是在推动光学计算与通信极限的实验平台上。

引用: Xu, R., Tang, Z., McRae, L. et al. Localized carbon deposition enables trimming of photonic integrated circuits. Nat Commun 17, 4562 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73411-7

关键词: 光子集成电路, 聚焦离子束, 碳沉积, 光学微调, 非对称方向耦合器