一块芯片掰了3000次还能用，MIT造出透明的光子芯片

美国麻省理工学院（MIT）团队和合作者打造了一块芯片，掰了 3,000 次都没有坏，依然还能正常工作。当掰到牙签粗细的直径之时，它的性能才开始出现衰减。这是一款在 300 毫米标准晶圆上造出来的硅光子芯片，相关论文由 MIT 和 NY CREATES 的研究团队发布在 Optica 上，他们使用标准的半导体制造工艺，造出了这款能弯、能透光、还能传数据的光子芯片。

让把这块芯片贴在皮肤上的时候，它能够监测你的心率；当把它嵌在一名飞行员头盔的护目镜里，它能够投射导航信息；当把它制成 AR 眼镜的镜片，所显示的内容会和真实世界叠在一起，并且不会挡住视线。由于它是透明的，其透明程度让人眼基本感觉不到它的存在。同时因为它是柔性的，故能够贴合任何曲面。

硅光子芯片一直存在这样一个矛盾，它使用光来传输数据和处理数据，速度非常快，功耗也很低，但是制造它的材料是硅。硅是不透光的，同时硅片是硬的，这意味着使用硅光子技术造出来的芯片，仅可以待在硬邦邦的电路板上，无法用在需要弯曲或者需要透光的地方。

而可穿戴设备以及 AR 显示恰恰需要又软又透光的东西，MIT 团队的方案是先按传统工艺在硅片上造好光波导。光波导好比是光子芯片里的“电线”，只不过传输的是光而非电。他们造了两层氮化硅波导，夹在了二氧化硅中间，就像三明治一样，整个结构是在晶圆上完成的，精度非常高，使用的都是半导体工厂里标准的 193 纳米浸没式光刻和刻蚀设施。

接着，他们贴了一个临时硅片当把手，借此把整个晶圆翻过来，使用粗磨和细磨的方式把原来的硅基板磨掉，最终使用化学刻蚀把最后 60 微米清干净。这时剩下的只有几微米厚的二氧化硅层和氮化硅波导层，甚至比一根头发丝还细。然后，他们把这一层薄膜贴到一张透明的聚酯膜上，再揭掉临时的把手，于是一块透明的、能弯折的光子芯片就出来了。

（来源：Optica）

整个过程中最难搞的是应力管理，硅片在加工的时候会因为热应力轻微弯曲，假如弯得太厉害，翻面的时候就会起皱甚至是碎裂。他们把加工温度控制在了 500℃ 以下，确保晶圆能够保持平整，从而完成了硅基板的移除。

实验数据也证明这个方案是可行的，他们测量了氮化硅波导的传输损耗大小，发现在 637 纳米的红光波长下，第一层波导的损耗是 9.7 到 11.7 分贝每厘米左右，第二层稍微高一些，是 12.5 分贝每厘米。这个数值和传统刚性硅片上做的同类波导没差太多，证明转移过程没有引入额外的损耗。

在弯曲测试实验里，他们把一块芯片绕在不同直径的圆柱上进行反复弯折，芯片直径从 2 英寸到 0.125 英寸，每个直径分别弯 500 次，累计弯了 3,000 次，结果发现光传输性能没有任何下降。而直到把弯折直径缩小到了 0.08 英寸，大约就是一根牙签的粗细，芯片才开始逐渐出现裂纹，光学性能在几十次弯折后才开始明显下降。而 0.08 英寸这个尺度远远超过了绝大多数应用场景的需求，毕竟 AR 眼镜镜片的弯曲程度不会比牙签更夸张。

在透明度的测试里，他们造了一个“仿生眼”，分别使用一个光圈来模拟瞳孔，一个透镜来模拟晶状体，一个相机来模拟视网膜。他们在镜头之前放了一块芯片，测试人眼透过芯片看东西时是否会模糊或者失真。

实验结果显示，芯片对于分辨率的影响微乎其微，MTF50（对比度下降到 50% 之时的空间频率）保持在 15 周期每度，和人眼本身的极限分辨率大致一样。换言之，当戴上这块芯片看东西，你根本不会觉得面前隔了一层雾。

（来源：Optica）

他们在实验中还测试了散射，也就是人眼所能感知到的“雾感”。他们使用一个双向透射分布函数来测量光透过芯片之后的散射角度，结果发现在大多数的角度下，散射强度仅有 0.1 每球面度，最差的情况也能低于 2.0 每球面度，这个程度的散射人眼基本察觉不到。

这些特性意味着，透明柔性光子芯片一个最直接的应用是 AR 显示。当前的 AR 眼镜大多又重又厚，光学系统使用的是棱镜和半透半反镜，导致体积降不下来。假如用光子芯片来做，光路能够集成在几微米厚的薄膜里，从而可以直接贴合在普通镜片上。所显示内容和真实世界的光线一起进入人类眼睛，彼此互不干扰。飞行员头盔上的导航信息也能够这样进行投射，无需再装一套笨重的光学系统。

可穿戴医疗设备是另一个应用方向，贴在皮肤上的心率监测器以及汗液分析传感器，假如内置光子芯片，数据传输速度会比当前的蓝牙快很多，功耗也会更低。原因在于它是透明的，所以戴着它不影响外观。同时也因为是柔性的，皮肤动的时候它也会跟着动，同时不会脱落。

这项技术目前还处在实验室阶段，离量产还有一定距离。团队自己也列出了几个需要优化的方向：比如，降低波导损耗、加入主动调制功能、集成金属电极以及增加更复杂的器件层。但是，从工艺角度看，他们使用的全部是半导体工厂里现成的设备比如 193 纳米光刻、CVD 沉积、CMP 抛光、晶圆键合和研磨，这些都是十分成熟的技术，这种兼容性意味着一旦制备工艺优化到位，量产的门槛并不算高。

论文第一作者 Tal Sneh 告诉媒体，正是由于是在 300 毫米晶圆上做这件事，他们才有信心制备大量的器件并保证它们都能达标。300 毫米也是半导体行业的工业标准，和内存芯片和处理器用的一模一样。而使用同样的设备以及同样的流程做光子芯片，实际上也是在借用半导体工业的规模化能力。

参考资料：

https://news.mit.edu/2026/fabrication-platform-could-enable-flexible-transparent-next-generation-photonic-chips-0903

https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-13-9-1751

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成