斯特拉斯克莱德大学的研究人员开发出一种全新的微观设备组装技术，成功解决了长期困扰下一代光学芯片制造的核心难题。通过一种新颖的“拾取、测试、放置”方法，该团队能够以前所未有的精度，将性能各异的光子器件像搭乐高积木一样，精确地组装成复杂的高性能系统。这项发表在《自然通讯》上的研究，为量子计算、光通信和先进传感等前沿领域的可扩展制造铺平了道路。

光子芯片的希望与“纳米级缺陷”的诅咒

在摩尔定律逐渐逼近物理极限的今天，用光子（光的粒子）代替电子来进行信息处理，被视为延续计算能力指数级增长的关键路径。光子芯片，或称光子集成电路（PIC），承诺带来更快的速度、更低的功耗和更高的带宽，是量子技术、光子人工智能和下一代通信网络的核心。

在这些先进技术中，一种被称为“光子晶体腔（PhCC）”的微米级结构扮演着至关重要的角色。它如同一个微型的“光陷阱”，能够极其精确地捕获和操控光子，是构建高性能光学系统的基本单元。然而，将成千上万个这样的单元集成为一个大型、可靠的系统，却面临着一个根本性的制造瓶颈。

问题在于，即使采用最顶尖的半导体制造工艺，在纳米尺度上，微小的、随机的缺陷也是不可避免的。这些纳米级的瑕疵，会导致每一个制造出来的光子晶体腔在光学特性上都存在细微差异，尤其是其核心参数——共振波长（即设备能最有效捕获或传输的光的特定“颜色”）。这意味着，直接在芯片上大规模制造完全相同的光子晶体腔阵列，几乎是不可能的。这种现象如同一种“制造彩票”，你永远不知道下一个器件的具体性能如何，这使得构建需要多个组件协同工作的复杂电路变得异常困难。

告别“整体制造”，拥抱“模块化”组装新范式

为了克服这一“诅咒”，斯特拉斯克莱德大学的团队彻底颠覆了传统的“整体式”制造思路，转而开发了一种模块化的“异构集成”新范式。他们不再试图一次性地在同一块晶片上制造出完美的阵列，而是先制造出大量带有自然缺陷的光子晶体腔，然后通过一个定制化设计的精密系统，对它们进行筛选和重新组装。

这个过程的核心创新在于，他们首次实现了在组装过程中对单个光学器件进行实时性能测量。论文主要作者肖恩·邦默（Sean Bommer）博士解释道：“使用以前的方法，组装这些设备感觉就像在搭建乐高积木，但你不知道任何特定积木的颜色。现在，我们可以在装配过程中测量它们的性能，从而释放了做出更有效和更复杂设计的潜力。”

具体来说，这个定制系统可以：

1. 物理拾取：从原始硅晶片上精确地“抓取”一个微米级的单个光子晶体腔。
2. 实时表征：在将其放置到新芯片上之前，系统会对这个悬空的器件进行光学测量，精确确定其共振波长等关键特性。
3. 精确放置：根据测量结果，系统会将这个已被“标记”好性能的器件，以极高的精度放置到目标芯片上需要该特定性能的位置。

通过这种方式，研究人员能够根据设计蓝图，像分拣不同颜色的乐高积木一样，挑选出具有所需特性的光子晶体腔，并把它们精确地“镶嵌”到最终的电路中。

精确控制的实证与未来的“混合集成”

为了验证该系统的能力，研究团队在一次实验中，成功地转移并根据共振波长排序了119个光子晶体腔，创建出了一个用传统方法无法制造的定制化阵列。这一成果有力地证明了该技术的高通量和高精度特性，标志着向可扩展制造迈出了关键一步。

此外，这个平台还让研究人员首次能够观察到器件在被“打印”到新基板上时，其自身发生的动态机械效应，揭示了从秒到小时时间尺度上的弹性和塑性变化，这为优化组装过程的可靠性提供了宝贵的物理数据。

该研究的领导者之一、弗劳恩霍夫与英国皇家工程院芯片级光子学主席迈克尔·斯特兰（Michael Strain）教授补充说：“这些微小器件在制造完成后能够被重新排列的能力，是将它们用作更大规模电路元件的关键步骤。”