光子芯片利用光而非电来处理数据，能够显著提升通信速度和带宽。然而，大多数光子产生的光通常被限制在芯片内部的光波导中，难以高效地传输到外部世界。如果能将大量光快速、**地发射到芯片之外，将有望开启更高分辨率显示、小型化激光雷达、高精度3D打印以及大规模量子计算机的大门。
近日，麻省理工学院（MIT）等机构的研究人员开发出一类新型光子器件，能够以可扩展的方式将光从芯片**地广播到自由空间。该芯片采用了一种由微观结构组成的阵列，这些结构向上卷曲，外形酷似微小的发光跳台滑雪坡道。研究人员能够**控制成千上万个微小结构同时发射光的方式。
利用这一新平台，研究人员成功投射出细节丰富、全彩的图像，其尺寸约为食盐粒的一半。这种技术可用于开发轻量级增强现实（AR）眼镜或紧凑型显示器。此外，研究团队还展示了光子“跳台”如何用于**控制量子计算系统中的量子比特（qubits）。
“在芯片上，光在波导中传播，但在我们正常的自由空间世界里，光可以随意传播。这两个世界之间的接口长期以来一直是一个挑战。但现在，借助这一新平台，我们可以创建数千个独立可控的激光束，一次性与芯片外的世界进行交互，”MIT电子研究实验室（RLE）的访问研究科学家Henry Wen表示。
这项研究源于“量子登月计划”，由MIT、科罗拉多大学博尔德分校、MITRE公司和桑迪亚国家实验室合作开展，旨在利用Englund实验室开发的基于钻石的量子比特构建新型量子计算平台。由于基于钻石的量子比**要通过激光束控制，研究人员需要一种能与数百万个量子比特同时交互的方法。
“我们无法控制一百万束激光，但可能需要控制一百万个量子比特。因此，我们需要一种能将激光束射入自由空间并扫描大面积区域的技术，就像在体育场向人群发射T恤枪一样，”Wen解释道。现有的光广播和转向方法通常只能同时处理少量光束，无法扩展到与数百万个量子比特交互的规模。
为了实现可扩展平台，研究人员开发了一种新的制造技术。该方法生产的芯片具有微小的向上弯曲结构，可将激光束射向自由空间。这些结构由两种不同材料构成的双层结构组成，当从高温制造温度冷却时，两种材料的膨胀率不同，导致整个结构在冷却过程中向上弯曲。
“这两种材料——氮化硅和氮化铝——原本是独立的技术。找到将它们结合的方法是实现跳台结构的关键制造创新，”Wen指出。这种效应类似于老式恒温器，利用两种金属材料的线圈根据室温卷曲和展开，从而触发暖通空调系统。
在芯片上，连接的波导将光引导至跳台结构。研究人员使用一系列调制器快速**地控制光的开关，从而将光投射到芯片外并在自由空间中移动。该系统极其稳定，无需进行误差校正，图案能自动保持静止。研究人员只需计算特定时间需要开启哪些颜色的激光，然后开启即可。
由于单个光点（像素）极其微小，该平台能够生成超高分辨率显示器。例如，该技术可在智能手机显示器仅能容纳两个像素的区域内容纳30,000个像素。Wen表示：“我们的平台是理想的光学引擎，因为我们的像素已达到物理上像素能达到的最小尺寸极限。”
除了高分辨率显示和基于钻石量子比特的大规模量子计算机外，该方法还可用于制造足够小的激光雷达，使其能安装在微型机器人上。此外，它还可用于3D打印工艺，通过激光固化树脂层来制造物体。由于芯片能快速生成可控光束，将大幅提高打印速度，使用户能够创建更复杂的物体。
未来，研究人员希望扩大系统规模，进一步测试光的产率和均匀性，设计更大的系统以捕获多个光子芯片阵列的光，并进行鲁棒性测试以评估设备寿命。Wen表示：“我们设想这将开启一类新型芯片实验室能力和光刻定义的微光机器人代理的大门。”
对于中国光电子行业而言，这种将光高效耦合至自由空间的技术路径，为国产AR/VR设备、激光雷达及量子计算芯片的微型化与集成化提供了重要参考，值得密切关注其产业化进展。