光子学技术的应用日益广泛，不过为了充分发挥其潜力，光子学技术产品必须变得更小、更便宜、更容易生产。当下，全球范围内的研究人员在这些方面已经取得了进展，但如何让电路在较短波长的光下顺畅运行仍然是一个挑战。

近期，来自Nexus Photonics、加州大学圣巴巴拉分校（UC Santa Barbara）和加州理工学院的研究人员们宣布成功开发出一种技术，使光子芯片能够在可见到近红外光谱中工作。这项技术有望使这些组件更小、更强大；并且其依赖于电子制造中常见的方法，有望以低成本实现大规模生产。

最终，该技术有利于将高性能光子学引入新的市场和应用，如增强现实和虚拟现实、医疗保健和可见／近红外波长的原子钟等。而且它在大规模生产这一点上的优势，将帮助大幅降低激光和光子电路的价格。

一波三折：光子电路制造技术开发过程

光子电路小型化的一个障碍是将激光连接到光子电路本身，要将其插入每个路径那显然是不切实际的。在2005年，由约翰·鲍尔斯领导的加州大学圣巴巴拉分校的研究人员解决了硅电路的激光连接问题。他们克服了这一障碍，将激光材料直接粘在硅上，并将光线向下弯曲到波导中。

此后，不少研究机构对类似的技术进行过开发，英特尔还以每年数百万美元的押注力推其商业化。但可惜的是，这些解决方案只适用于波长大于1100纳米的深红外光。由于每个半导体都有带隙能量，能量更高或波长更小的光子会被材料吸收。

例如，硅的带隙大约是1100纳米，那么紫外线（UV）、可见光，甚至一些红外线都会被硅波导吸收。这导致虽然硅在电子学方面表现良好，但它在光子学方面的应用却很有限。

不过，带隙约为250纳米、处于紫外线光谱部分的氮化硅材料就比较具备开发潜力。而且由于它是一种硅化合物，它很容易与电子制造过程集成。它主要的成分硅和氮在地球上也很丰富，而且价格便宜。

在确定了合适的材料后，由于氮化硅的折射率与激光材料的折射率不同，将激光连接到波导又成为了研究团队面临的新挑战。因为这会使得激光层的光束很难弯曲到它下面的氮化硅波导中。

在实验中，研究小组在激光的同一平面上添加了折射率接近氮化硅的中间材料。通过这种方式，激光可以正面进入过渡波导，然后从具有类似光学特性的材料定向向下进入氮化硅。就这样，该团队在设计方案上向前迈进了一步，但要使该工艺与标准电子制造工艺兼容也是一大棘手问题。

斩获成果：利用氮化硅实现低成本商业铸硅

最终上述研究团队终于优化了这项技术，他们打造出完整加工的4英寸晶圆（里面包含数千个器件），并使其在小于一毛钱成本的情况下，性能远超大型商业系统。

颇具突破性意义的是，它首次为可见光到近红外波长的全光子集成提供了一个可行的、可扩展的解决方案。相关研究结果已发表在《自然》（Nature）杂志上。

这种激光耦合技术将使高功率精密光子学的成本降低几个数量级，应用前景广阔。通过生物传感和DNA测序等应用，该技术在生物医学科学中具有潜力。它还可以为原子物理学和量子方面的研究开辟道路。

商用硅晶圆的使用，这也将意味着世界上每一所学校的每一位大学教授都能负担得起目前只有在大型研究机构才能实施的设备和实验。

此外，这项技术还可以用来检测同一芯片上的光线来自哪里。

目前，该团队计划最终将光子电路和电子电路集成到同一个芯片上，在成本和性能上实现更高的效率。