据中国激光杂志社网，于2025年10月17日报道，人类对材料的塑造始于泥土烧陶的原始技艺，而今已迈入原子级制造的智能时代。材料加工技术的每一次革命都重构着人类世界的面貌。从新石器时代将黏土淬炼为存世的陶器，到工业革命中利用模具和机床实现金属构件的大规模复制，人类对材料的改造从宏观形态的塑造迈入了微观结构的定制。如今，你是否想过，未来的计算机芯片可能不再依靠电子，而是依靠光来运行？这正是被誉为下一代信息技术基石的光子集成电路所描绘的图景，科学家们正试图将能量场的瞬时、精准控制作为新的维度，使光子芯片的制造方式发生革命性变化。
近期，厦门大学洪明辉院士及团队成员撰写了题为“Laser nanofabrication unlocking multidimensional photonic integrated circuits”的评论文章，详细点评了澳大利亚皇家墨尔本理工大学贾宝华教授、山东大学陈峰教授团队发表在Photonics Insights上题为“Laser-nanofabrication-enabled multidimensional photonic integrated circuits”的综述论文，该评论文章发表于Photonics Insights 2025年第4卷第3期。
为何光子芯片是未来所向？
我们正处在一个数据爆炸的时代。从智能手机到云计算，再到物联网，全球数据流量的激增对信息处理速度与能效提出了近乎苛刻的要求。然而，传统电子集成电路的发展正逐渐逼近物理极限：晶体管尺寸难以持续缩小，电子迁移带来的发热和信号延迟问题日益凸显。光子集成电路的出现恰逢其时。它以光子代替电子作为信息载体，具备先天优势：传输速度接近光速、几乎无发热、抗电磁干扰、带宽极大，使其在通信、数据处理和未来计算中展现出巨大潜力。
更令人兴奋的是，光子芯片正从二维平面走向三维立体。三维光子集成电路能充分利用芯片的立体空间，大幅提升集成密度，实现更复杂的功能。与此同时，石墨烯、过渡金属硫化物等二维材料，因其独特的光学和电学性质，为光子器件带来了前所未有的性能提升机会，比如超快的光调制和探测能力。而激光纳米加工，正是将二维材料的优异特性与三维结构的集成优势结合起来的那把“钥匙”。
激光纳米加工：一把多能的“笔”
那么，激光纳米加工究竟是何方神圣？简而言之，它利用超快（如飞秒）激光脉冲与材料发生高度局域化的相互作用，通过精确控制激光焦点在材料内部或表面移动，实现纳米级精度的三维结构制造。
这是一种无掩模、非接触式的加工技术，仿佛拥有一支极其精细的“光学钢笔”，可直接在玻璃、晶体或聚合物等材料中“画出”任意形状的波导、微透镜、谐振腔等光学元件。该技术最大的魅力在于其灵活性和多功能性。它不仅改变材料的物理形状，还能通过调节激光参数直接改变材料的性质，如折射率，这被研究者称为激光加工的“第四维度”。
绘制三维光路：从波导到复杂元件
三维光子芯片的核心在于能在芯片内部构建连接各个光学元件的“立体高速公路”——即三维光波导，激光纳米加工在这方面表现非常出色。
评论文章重点介绍了一项创新工作：研究者利用飞秒激光在LiTaO3晶体中制作出混合型光束分束器。如图3(a-h)所示，他们巧妙结合了两种激光改性机制：一种可形成低损耗波导，另一种则热稳定性更好。这种混合结构既降低了光在传播中的损耗，也减少了在转弯处的损耗，甚至可通过热退火“擦除”和重写，为可重构的光信号处理器件铺平了道路。如图3(i-q)所示，除了波导，激光纳米加工还能一站式制造出集成在芯片上的微光学元件，如微透镜、微反射镜等。这些元件可以像乐高积木一样，直接“打印”在芯片的端面或光路中，实现高效的光耦合与操控，解决了不同芯片间模式匹配难、对准精度要求高的难题。该综述对此有更系统的阐述，如图3(r-u)所示，其展示了如何通过双光子聚合技术制作出尺寸仅百微米级的多透镜系统，甚至直接在小巧的CMOS图像传感器上打印出仿生复眼结构，用于高质量成像。
赋能神奇材料：二维材料的激光精密加工如果说三维结构是光子芯片的“骨架”，那么二维材料就是赋予其智能的“肌肉”。这些仅有原子层厚度的材料，如石墨烯、二硫化钼等，具备优异的光电特性。激光纳米加工为这些材料提供了理想的微纳加工平台，可对二维材料进行多种“手术刀”式的精密操作：
1. 精准减薄：通过控制激光能量和扫描次数，可以将多层二维材料逐层减薄至所需原子层数，实现对其光学带隙的精确调控。
2. 性质改性：例如，利用激光诱导的氧化还原反应改变石墨烯氧化物的电导率和折射率；激光还能诱导某些材料发生相变，显著提升其载流子迁移率。
3. 缺陷工程：在六方氮化硼等材料中，激光甚至可“创造”特定的自旋缺陷，这些缺陷是构建量子比特、应用于量子计算的宝贵资源。
贾林楠等人的综述文章通过大量实例展示了激光在二维材料上实现的高分辨率图案化能力，从简单的光栅、点阵到复杂的微电路甚至“中国结”图案，无不栩栩如生。基于这些图案化技术，研究人员成功制造出一系列功能器件，如超薄宽带偏振器、石墨烯金属透镜（可实现三维亚波长聚焦）以及高性能偏振探测器等。这些器件体积小、性能优，非常适合在紧凑的光子芯片上集成。
尽管前景广阔，但激光纳米加工在多维光子集成电路的产业化道路上仍面临挑战。洪明辉院士团队在评论文章中指出了几个关键问题[2]：
1. 材料整合难题：易于激光加工的材料（如聚合物）可能热稳定性不足，而高性能材料（如二维晶体）的加工又颇具挑战。
2. 加工效率瓶颈：与大规模工业光刻技术相比，激光逐点书写的速度较慢，需发展多光束并行加工技术以提高产能。
3. 集成工艺复杂性：将二维材料无缝、保形地集成到非平面的三维结构上，仍存在界面粘附、晶格失配等技术难关。
面对以上挑战，未来的发展方向也愈发清晰：第一，开发新型活性材料，兼顾可加工性与器件性能。第二，提升装备水平，通过空间光调制器等先进光束整形技术实现高通量、高精度并行加工。第三，引入人工智能，利用AI优化激光加工参数、实现实时反馈控制，提升工艺智能化和稳定性。第四，探索新的器件架构，如利用不同二维材料堆叠形成的范德华异质结，有望诞生全新的光子功能。
该综述文章在结论部分展望得更为具体，特别强调了AI辅助激光加工、2D材料在3D结构上的保形涂层以及全芯片一体化激光直写等方向的巨大潜力。
结语：描绘光子时代的蓝图
激光纳米加工技术正在三维空间和材料维度上，为光子集成电路描绘出前所未有的精细蓝图。它不仅是连接二维材料奇异特性与三维光子结构强大集成能力的桥梁，更是推动下一代信息技术革命的关键使能技术。正如洪明辉院士团队在评论文章中所总结的——“该综述通过聚焦于二维材料与三维光子集成电路之间未被充分探索的交叉领域，不仅巩固了当前的知识，更为未来的研究确立了关键路径”。
参考文献：
[1] Linnan Jia, Han Lin, Bin Zhang, Guiyuan Cao, Feng Chen, and Baohua Jia. Laser-nanofabrication-enabled multidimensional photonic integrated circuits[J]. Photonics Insights, 2024, 4(2): R05.
[2] Jingbo Yin, Yilan Wu, and Minghui Hong. Laser nanofabrication unlocking multidimensional photonic integrated circuits[J]. Photonics Insights, 2025, 4(3): C06.
期刊简介
Photonics Insights (PI) 是由中国激光杂志社出版的高质量、钻石级开放获取的国际季刊，入选“中国科协卓越行动计划高起点新刊”，已被Scopus数据库收录。PI以发表兼具学科洞察力、趋势引领性与方法论创新的深度综述为特色，通过系统梳理特定主题的研究脉络，剖析技术瓶颈与未来机遇，为全球学者提供透视光学与光子学前沿动态的“高维视角”，致力成为驱动学科进步的权威指南，长期目标影响因子大于30。
