纳米光子波导从芯片向外世界的光束扫描

将光安全地从芯片送出

现代生活的许多部分依赖光在数据中心、手机和未来量子计算机内部的微小玻璃或硅通道中传输。但相机观察、汽车导航和显微镜探测的现实世界，是由自由飞行在空间中的光构成的。本文描述了一种新型芯片器件，外号“光子跳台（photonic ski-jump）”，可以让计算芯片发射并快速偏转一束刀锋般锋利的光束到开放空间。这样的能力可为更小型的自动驾驶激光雷达、更轻的增强现实显示、更快的3D打印以及可扩展的量子比特控制提供动力。

从玻璃细线到开放空气

当今的光学芯片在塑造和定时控制通过微观波导传输的光方面极为出色——波导本质上就是为光子准备的玻璃细线。然而，外部世界为光提供了巨大的方向和位置选择，像超高分辨率屏幕上的像素一样。连接这两个领域一直很困难。现有的基于芯片的光束偏转器能覆盖许多方向但会使光束扩散，而微型机械镜能产生优良的光束但体积大且运动缓慢。作者认为关键在于一种接口，它能将单一、干净、衍射极限的光束从芯片上的任一点发射到空间中大量不同位置，并能以极小的占地快速完成这一工作。

一个把光弹出去的微小斜坡

他们的解决方案是在芯片上构建一个微观斜坡。这个“跳台”是一个薄而弯曲的悬臂结构——仅约2微米厚——其顶部沿着一条光学波导。悬臂由标准半导体材料层制成，释放后内应力使其轻微向上卷曲，将波导提升出芯片平面数十到数百微米。在卷曲的端部，波导变窄，使光以小于一微米的微小明亮光束射出，接近空间解析度的物理极限。由于结构非常轻，压电层可以在千赫到十万赫兹的频率下用适度电压使其振动，像超快速手电筒一样快速扫描光束穿过空间。

高速“用光作画”

通过精心选择驱动微小斜坡的方式，研究人员可以在一维或二维上扫描光束。驱动主要弯曲方向使端部描出弧线；用分裂电极增加侧向运动则产生利萨如图形——慢慢填满矩形视场的回路。当结合不同颜色的脉冲激光时，跳台可以在屏幕上绘制全彩图像甚至视频，而整个器件的占地不到十分之一平方毫米。团队定义了一个简单的性能指标：每平方毫米器件面积每秒可寻址的不同光斑数量。他们的跳台每平方毫米每秒可达到数千万光斑，优于领先微小镜子五十倍以上，优于早期扫描光纤一千倍，同时还能在标准 CMOS 工厂中制造。

精确到单个量子发射体

除了显示和测距外，作者还展示了相同器件可以精细控制单个量子光源。他们将跳台的光束照射到一个小型钻石芯片上，芯片中含有人造原子——硅空位中心，并将其冷却到接近绝对零度的几开尔文。通过沿一条线扫描光束，他们重复激发单个中心并探测其发射的单光子流，确认在任一时刻仅激发单个发射体。他们还在钻石中横扫多个相邻波导，依次点亮不同的发射体群体。这表明了一条路径，可将光引导到芯片上成千上万乃至百万个量子比特，这在传统体积光学方案下将难以实现。

扩展到数十亿光点

团队分析了如何从单个跳台扩展到整个晶圆上密集的阵列。由于这些器件采用标准工艺制造，他们可以在单片芯片上放置数十到数百个，并展示出其形状在几百分比范围内的一致性。配合类似智能手机相机中使用的紧凑透镜，这些阵列可以在掌心大小的模块内以千赫刷新率投射或收集来自超过十亿个可分辨点的光。剩余的工程挑战——例如将器件封装在小型真空腔中以及补偿自然的曲线路径扫描——很重要，但作者认为可用现有技术予以解决。

这对日常技术意味着什么

简单地说，这项工作将光学芯片变成一种固态的“光引擎”，既能理解也能影响周围世界。单一平台可以在芯片上路由光以进行快速处理，然后将其以清晰可控的光束抛向外界，用于扫描房间以服务于汽车、在视网膜上绘制图像、在3D打印中蚀刻结构，或干预单个量子比特。通过打破长期存在的光束质量、速度与体积之间的权衡，光子跳台为具有前所未有观测与通信能力的机器提供了实用路径，同时保持硬件小巧并可规模化制造。

引用: Saha, M., Wen, Y.H., Greenspon, A.S. et al. Nanophotonic waveguide chip-to-world beam scanning. Nature 651, 356–363 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10038-6

关键词: 纳米光子学, 光束扫描, 集成光子学, 激光雷达, 量子光学