哈佛大学的突破性成果将强大的紫外光源集成到芯片上

一直以来，紫外光源有个让工程师头疼的特性：它很难被"装进"芯片。紫外光在微型波导里传播时衰减极快，导致过去的芯片级紫外光器件功率微弱，只够验证概念，距离真正的实际应用还差得远。

哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的研究团队，用一块薄薄的铌酸锂芯片，正面突破了这个困境。

把红光"变"成紫外光，功率提升了120倍

这项研究的核心思路，并不是直接在芯片上引导紫外光传播，而是在芯片内部实时"制造"紫外光。具体方式是利用一种叫做频率上转换的非线性光学效应：两个红光光子在铌酸锂晶体内部相遇、合并，产生一个能量更高的紫外光子。

红光在光学系统中传播损耗远低于紫外光，先传红光、再转换成紫外光，绕过了紫外波段在波导里衰减严重的老难题。关键是，铌酸锂这种晶体材料的频率转换效率极高，让这个"变魔术"的过程在微米尺度上就能高效完成。

研究团队在芯片上实现了波长390纳米、功率4.2毫瓦的紫外光输出，而此前同类薄膜铌酸锂器件在相同波长范围内的功率只有几十微瓦。从微瓦到毫瓦，功率提升了约120倍。

这项成果于2026年4月发表在《自然通讯》期刊上，领导这项研究的是哈佛大学林天才电子工程教授马尔科·隆查尔。

一个精度要求50纳米的制造难题

用于侧壁极化的金属电极的扫描电子显微镜图像。图片来源：Loncar实验室/哈佛大学工程与应用科学学院

要把红光高效转换为紫外光，仅仅有好材料还不够，晶体内部的结构必须沿着波导方向以极其规则的间隔精确翻转，这道工序叫做"极化"，是整个器件最难攻克的制造关卡。

想象一下：你需要在一块只有几厘米长的芯片上，以亚微米级的精度反复翻转晶体结构，稍有偏差，转换效率就会大打折扣。

过去的方法都存在明显的局限。对整块薄膜预先极化，灵活性低，难以修正制造中出现的误差；先做好波导再极化，电极位置离得太远，影响范围有限，效率上不去。

哈佛团队的突破在于一个名为"侧壁极化"的新方案：他们将精细图案化的金属"指状电极"直接沿着波导的侧壁紧密排列，在制造过程中施加精确的小电压，让晶畴在整个波导横截面上完整翻转。

这个操作对精度的要求极其苛刻。共同第一作者、前研究生苏米亚·戈什坦言："电极的定位需要大约50纳米的精度。"50纳米是什么概念？大约是一根头发丝直径的千分之一。

在实现精密极化之后，团队还借助"自适应极化"技术，动态调整芯片上各段反转区域的间距，补偿因加工工艺引入的厚度和形状细微变化，进一步把转换效率推上了新台阶。

为什么这件事很重要

芯片级紫外光源听起来像是一个工程领域的技术细节，但它实际上打开的，是多个前沿领域的关键入口。

量子计算是最直接的受益方向之一。目前最有竞争力的量子计算路线之一，是基于"囚禁离子"的方案，而驱动这些离子进行量子跃迁的激光，工作波长恰好落在近紫外范围。要让量子计算机从实验室走向实用，从机房走向更广泛的部署，就必须把庞大的光学系统缩小到芯片尺度。

"如果你想要一台可扩展的量子计算机，但又不想让它像卡车那么大，那么你需要把所有东西都缩小到芯片级别，这包括光源，"共同第一作者弗兰肯说道。

超精密原子钟同样高度依赖稳定的紫外光源，这类时钟不仅是导航和通信系统的基础设施，也是验证基础物理理论的重要工具。此外，同样波长范围的光还可以用于开发小型化的环境传感器，实时监测大气中的温室气体和空气污染物。

铌酸锂本身并不是一种新材料，过去十年间它在红外和电信波段的集成光子学领域已经积累了大量技术沉淀。隆查尔教授指出，这项研究证明了铌酸锂同样可以成为"紫外材料"，大幅拓展了这种晶体在光子器件中的应用版图。

戈什总结这项工作时说，团队从理论设计、纳米加工到最终测试，全程在内部完成，"同时保持着对设备用途和宏观目标的清醒认识，这正是我们能够完成这个项目的重要原因"。

一块小小的芯片，正在为量子时代的基础设施悄悄铺路。