將數十億電子元件壓縮在幾平方英寸內的電腦晶片，推動了數位經濟並改變了世界。科學家們可能即將引領另一場類似的技術革命——這次是利用光。

美國國家標準與技術研究院（NIST）的科學家與合作夥伴，在朝向這個目標邁進的重要進展中，開創了一種方法，透過在矽晶圓上沉積特殊材料的複雜圖案，製造光子積體電路。這些光子晶片利用雷射、波導、濾波器和開關等光學元件來傳輸光線並處理資訊。這項新技術有望大幅推動人工智慧、量子電腦和光學原子鐘等新興技術的發展。

NIST物理學家Scott Papp表示，製造像電子電路那樣強大且普及的光電路，是當今科技的前沿領域之一。他們正學習如何製作具多種功能、跨足多個應用領域的複雜電路。

在資訊傳輸與處理方面，光能做到電力無法比擬的事。光子——光的粒子——在電路中傳遞速度遠快於電子。

雷射光對於控制強大的新興量子技術如光學原子鐘和量子電腦也至關重要。

然而，要讓整合光子學真正發揮效能，仍有多項挑戰。其中之一是雷射。高品質、緊湊且高效的雷射目前僅存在於少數幾種波長（顏色）的光中。例如，半導體雷射非常擅長產生波長為980奈米（十億分之一公尺）的紅外光，這種顏色剛好超出人類視覺範圍。

新興技術如光學原子鐘和量子電腦，則需要多種不同顏色的雷射光。產生這些顏色的雷射體積大、成本高且耗電，限制了這些量子技術只能在少數專用實驗室中使用。

科學家希望透過將雷射整合到晶片電路中，使量子技術變得更便宜、更便攜，從而實現其巨大潛力。

NIST的新型光子晶片有點像一層層的蛋糕。Papp和Grant Brodnik等研究人員，先從一片標準的矽晶圓開始，覆蓋了二氧化矽（玻璃）和鋰鈮酸鹽（一種非線性材料，可改變光的顏色）。

接著，研究團隊加入金屬元件，電控電路如何將一種光色轉換成其他顏色。他們還製造了金屬與鋰鈮酸鹽的介面，使光能在電路中快速開關，這是資料處理和高速路由的關鍵能力。

蛋糕上的糖霜，是第二種非線性材料——五氧化二鈮（tantala）。Tantala能以近乎魔法的方式轉換光線，將單一雷射色轉換成可見光全彩虹色及廣泛的紅外波段。Papp和團隊多年來開發出不需加熱即可製造tantala電路的技術，讓這材料能沉積於其他材料上而不受損。

透過將不同材料以三維堆疊方式排列，研究人員製造出一片能有效在層間導光的晶片，融合了tantala的光操控能力與鋰鈮酸鹽的可控性。Brodnik表示，這種新技術「允許無縫整合」，真正的強大之處在於tantala能被加入現有電路中。

最終，研究團隊在一片約啤酒杯墊大小的晶圓上，裝載了約50片指甲大小、含有一萬個光子電路的晶片，每個電路輸出獨特顏色。Papp說：「我們只需設計電路，就能創造出這麼多不同的顏色。」

量子技術如原子鐘和量子電腦，將是整合光子學最大的受益者之一。這些裝置通常利用原子陣列來儲存和處理資訊。對每種原子，物理學家需要針對其內部量子能階調整的雷射。例如，銣原子（常用於量子電腦和原子鐘）對波長780奈米的紅光有反應；鍶原子則對461奈米的藍光敏感。若照射其他顏色，原子不會有反應。

產生這些特定顏色的雷射體積龐大、成本高昂且複雜，成為量子電腦和光學鐘走出實驗室、進入實際應用的主要障礙。廉價、低功耗且便攜的光學鐘，能協助預測火山爆發和地震，提供GPS定位的替代方案，並幫助科學家探索暗物質等科學謎團。量子電腦則可能開創研究藥物和材料物理化學的新途徑。

整合光子電路不僅限於量子領域。Papp相信NIST的光子晶片能有效傳輸科技公司專用晶片間的訊號，提升人工智慧工具的效能與效率。科技公司也有興趣利用光子技術改善虛擬實境顯示器。

雖然NIST的晶片尚未達到量產階段，Papp和Brodnik表示，製造技術已指明未來發展方向。NIST科學家與位於科羅拉多州路易斯維爾的初創公司Octave Photonics合作，該公司由前NIST研究人員創立，正致力於擴大此技術的規模。

Papp說：「當你在實驗室看到晶片發光，吸收不可見光並在同一晶片上產生所有這些可見光，立刻就能感受到它的應用潛力有多大。」