在硅芯片上带微谐振器和凹面镜的硅胶光子折纸

在芯片上折叠光

想象在一块计算机芯片上构建微小的三维玻璃雕塑，不是用3D打印，而是用光束像折纸一样折叠。本文展示了如何在硅芯片上通过在空中折弯和成形超光滑的玻璃结构——这是先进光学和通信所必需的——在不到一千分之一秒的时间内完成。其结果是一种制造精密、高性能光学部件的新方式，未来可能为更好的传感器、导航系统，甚至对引力的测试提供动力。

从平面玻璃到折叠形状

这项工作从一种熟悉的材料开始：二氧化硅，即那种将光在光纤中传输到世界各地的超纯玻璃。几十年来，工程师们已经将二氧化硅表面打磨得令人惊讶地光滑——下探到纳米的分数级——以便光可以无散射地滑过。直到现在，大多数这些器件都是平面的，像微型光路一样蚀刻在芯片表面。要从平面（二维）过渡到完全的三维结构，通常需要转向3D打印，但逐层打印的玻璃在微观尺度上往往粗糙，破坏光学质量。作者通过在硅芯片上先制作平整、预制的原子级光滑二氧化硅图案，然后将它们折成三维形状，从而解决了这个问题，并保留了镜面般的光洁度。

利用光与类液体力

为折叠玻璃，研究团队将细长的二氧化硅条悬空在芯片上，有点像微小的跳板。这些条在比例上非常极端：长达3毫米，但仅约0.5微米厚，具有创纪录的长厚比。然后用特殊的红外激光聚焦在条的一处选定点上。激光短暂地加热二氧化硅的顶侧，直到其软化并表现得像高粘性的液体，而其余部分保持固态。在这一微小的熔化区，表面张力——与将水滴拉成球形的力相同——接管。为最小化表面积，它将软化区域拉成平滑曲线，迅速将整条杆弹向一个新位置，甚至可以克服重力抬起它。由于熔区在激光关闭后数十微秒内冷却并固化，玻璃几乎瞬间在新形态上“冻结”。

在空气中精确“绘制”

研究人员表明，这种弹动可以在不到一毫秒内将一条平板变成垂直梁，加速度达到地球重力的数千倍。通过降低激光功率并发送经精心计时的脉冲列，他们可以在每个脉冲时微微推动杆，从而在几乎任何角度处停下。控制精度如此之高，他们可以以约20纳米的位置步进调整典型臂的方向——比许多病毒还小。通过选择沿杆加热的位置，他们可以创建形成折线的一系列弯曲，或在加热时移动样品以将结构缠绕成螺旋。这将曾经平坦的图案变为复杂的三维路径，同时保持与硅基底相连并保留极其光滑的表面。

构建微型镜和谐振器

除了简单的梁和螺旋外，团队还将高级光学元件直接集成到这些折叠结构中。在一个例子中，他们利用激光不仅折弯，还轻微蒸发一小块玻璃，雕刻出一个平滑的抛物形凹坑，作为具有较高数值孔径的凹面镜——意味着它能将光紧密聚焦。另一个例子中，他们让一个折叠段回流，使表面张力将材料拉成近乎完美的球体，形成一个“耳语廊”谐振器，光在其中循环数百万次才泄出。这些微型器件达到与最佳芯片级谐振器相当的质量水平，证实快速折叠工艺并未损害光学性能。

这种新型玻璃折纸为何重要

通过将传统芯片制造的精密度与折叠的灵活性结合，这项工作规避了许多3D打印方法受限的粗糙和污染问题。作者展示了他们可以可靠地将平面折向陡峭角度、创建螺旋，并添加凹凸两类光学元件——同时保持表面光滑到光几乎不损失能量。对非专家而言，关键信息是我们现在可以在芯片上对超洁净玻璃进行“折纸”，将其制成复杂的三维形状，具备纳米级精度和内建光学器件。这为紧凑的三维光电线路、用于探测基础物理的高灵敏仪器，以及或许未来用于光驱动航天器的超轻结构打开了可能，而这些都是用兼容当今芯片制造工厂的工具制造的。

引用: Manya Malhotra, Ronen Ben-Daniel, Fan Cheng, and Tal Carmon, "Photonic origami of silica on a silicon chip with microresonators and concave mirrors," Optica 12, 1338-1341 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.560597

关键词: 光子折纸, 二氧化硅微结构, 激光折叠, 微谐振器, 三维光子学