纳米光波导芯片的光束扫描技术

本文报道了一种名为‘光子滑雪跳台’（photonic ski-jump）的创新集成光子器件，旨在解决长期困扰光学工程的核心难题——如何让芯片上的光信号高效、高质量、可扩展地进入自由空间。传统方案存在根本性瓶颈：基于衍射光学的光子集成电路虽易于扩展，但光束质量差；而机械式微镜虽光束优质，却难以与芯片大规模集成。本研究巧妙地将纳米尺度氮化硅光波导单片集成于超轻（亚微克级）、超薄（约2微米）、高曲率的压电悬臂梁上。该结构在不到0.1平方毫米的面积内自然向上弯曲近90度，被动形成高精度三维指向能力；输出光斑尺寸仅约0.5–0.7微米，达到衍射极限，且覆盖可见至通信波段；其机械谐振频率达千赫兹量级，品质因子超过10,000，意味着极高的扫描效率与稳定性。器件采用标准CMOS代工厂200毫米晶圆工艺批量制造，兼容现有半导体产线。实测表明，在CMOS电压驱动下，其单位面积每秒可生成6860万个可分辨光点，性能比当前顶尖微机电系统（MEMS）反射镜高出50倍以上，足以支持100赫兹刷新率下百万像素的图像投影。研究团队成功演示了全彩色图像与视频投影，并实现了对金刚石中硅空位色心（一种固态量子比特）的单光子级初始化与读出。更进一步，通过构建64单元阵列并验证其弯曲形貌一致性（标准偏差<2%），为未来在5厘米直径芯片内实现千兆级（>10⁹）光点分辨率、千赫兹刷新率的超大规模光学引擎铺平了道路。该技术不仅打通了集成光子处理器与现实世界的‘光学管道’，也为自动驾驶、增强现实、精密医疗影像和容错量子计算等前沿领域提供了关键使能工具。