Sueuel 光電匯OESHOW

2025年02月11日 17:31 上海

在科技發(fā)展的歷史長(zhǎng)河中，每一次技術(shù)的重大突破都如同璀璨星辰，照亮人類(lèi)前行的道路。在2025年P(guān)hotonics West大會(huì)上，眾多前沿光子技術(shù)的突破性進(jìn)展吸引了全球?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。本次展會(huì)中報(bào)道的幾項(xiàng)重要技術(shù)進(jìn)展，包括單光子探測(cè)器、新型光子集成電路、量子光學(xué)、光子學(xué)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用以及激光加工技術(shù)新進(jìn)展等。光電匯編輯匯編如下，以饗讀者。

一、脫穎而出的單光子探測(cè)器與計(jì)算成像技術(shù)

來(lái)自Singular Photonics公司的單光子雪崩探測(cè)器（SPADs）技術(shù)成為本次展會(huì)的一大亮點(diǎn)。Singular是英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)（the University of Edinburgh）數(shù)字成像先驅(qū)Robert Henderson教授實(shí)驗(yàn)室的衍生公司，也是首批將高級(jí)計(jì)算引入SPAD圖像傳感的公司之一。

該公司推出了兩款新型傳感器——Andarta和Sirona，前者是與科技巨頭Meta合作開(kāi)發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)可穿戴設(shè)備上的深層血流監(jiān)測(cè)，具有外形小巧、靈敏度高等特點(diǎn)。而后者是Singular的首款產(chǎn)品，是一款基于SPAD的512像素線(xiàn)陣傳感器，能夠進(jìn)行時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（TCSPC），并支持拉曼光譜、熒光壽命成像顯微鏡（FLIM）、飛行時(shí)間測(cè)量和量子應(yīng)用。憑借片上直方圖和時(shí)間分級(jí)功能，該SPAD傳感器有可能徹底改變光譜應(yīng)用。

Singular 單光子雪崩探測(cè)器（SPADs）

該技術(shù)的突破點(diǎn)在于采用像素級(jí)計(jì)算，即在傳感器內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，大幅提高了探測(cè)效率，并降低了信號(hào)噪聲。這項(xiàng)進(jìn)展不僅推動(dòng)了單光子成像技術(shù)的發(fā)展，也為醫(yī)療、生物成像和量子通信等領(lǐng)域帶來(lái)了新的可能性。

二、先進(jìn)的光子集成電路（PICs）技術(shù)

光子集成電路（PIC）技術(shù)正在迎來(lái)新的材料革命。最新的研究表明，薄膜鈮酸鋰（TFLN）、鈦酸鋇（BTO）和有機(jī)材料的引入，使得電光調(diào)制器的帶寬和能效顯著提高。硅光子（SOI）平臺(tái)正在面臨競(jìng)爭(zhēng)，LNOI（鈮酸鋰絕緣體）和InP（磷化銦）等新型平臺(tái)正逐漸嶄露頭角。

此外，2026-2027年預(yù)計(jì)將迎來(lái)200G每通道的光通信技術(shù)轉(zhuǎn)型，以滿(mǎn)足AI計(jì)算集群和云數(shù)據(jù)中心的需求。這將推動(dòng)3.2T及更高速率的以太網(wǎng)接口，帶來(lái)更高的光子芯片性能，同時(shí)也引發(fā)對(duì)新型材料和制造技術(shù)的更高要求。

三、光量子技術(shù)成為主流

光量子技術(shù)雖已有一定發(fā)展和應(yīng)用，但仍處于初步探索階段，潛力巨大。實(shí)現(xiàn)微型光學(xué)元件在芯片上的可擴(kuò)展集成，對(duì)解鎖光子量子技術(shù)更多優(yōu)勢(shì)、推動(dòng)各行業(yè)變革至關(guān)重要，而這一過(guò)程充滿(mǎn)挑戰(zhàn)。

德國(guó)帕德博恩大學(xué)的Christine Silberhorn教授表示：“當(dāng)前，人們已經(jīng)在部分系統(tǒng)中成功集成了光學(xué)元件。然而，這項(xiàng)工作猶如站在巨人的肩膀上開(kāi)展創(chuàng)新，極具挑戰(zhàn)性。一方面，需要使用品質(zhì)極高的器件，這些器件的性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與功能性；另一方面，還必須廣泛整合豐富多樣的量子知識(shí)和前沿理念，并在全新的參數(shù)空間里對(duì)它們進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整與深度開(kāi)發(fā)，以滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜需求?！?/p>

Christine Silberhorn(左）和學(xué)生在一起做實(shí)驗(yàn)

Silberhorn教授在基礎(chǔ)量子光子學(xué)領(lǐng)域貢獻(xiàn)突出，進(jìn)行了世界上首次關(guān)于光的波動(dòng)特性（量子關(guān)聯(lián)）中糾纏態(tài)以及非經(jīng)典關(guān)聯(lián)的波粒二象性（即所謂的愛(ài)因斯坦 - 波多爾斯基 - 羅森態(tài)）同時(shí)存在的實(shí)驗(yàn)演示。這些年她主要從三方面開(kāi)發(fā)實(shí)用可擴(kuò)展的集成光子系統(tǒng)。一是聚焦鈮酸鋰集成器件，因其材料特性適用于量子光子學(xué)；二是用脈沖光泵浦鈮酸鋰系統(tǒng)，結(jié)合超快光學(xué)與集成器件，對(duì)參量下轉(zhuǎn)換源意義重大，團(tuán)隊(duì)已借此開(kāi)發(fā)相關(guān)光子源。

四、光子學(xué)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

此次Photonics West上，光子學(xué)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用成為一大焦點(diǎn)，吸引了全球眾多科研人員、創(chuàng)新者以及企業(yè)代表的目光。其中值得關(guān)注的是，新一代光伏視網(wǎng)膜植入物和一款低成本醫(yī)療激光激光散斑成像設(shè)備。

“仿生”視網(wǎng)膜植入物

斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)宣布，他們正在開(kāi)發(fā)新一代光伏視網(wǎng)膜植入物，以提高失明患者的視覺(jué)恢復(fù)水平。最新的PRIMA植入物已經(jīng)成功幫助黃斑變性（AMD）患者恢復(fù)部分視覺(jué)，并能識(shí)別書(shū)籍、地鐵站名等基本信息。

目前使用 100 μm像素的 PRIMA植入物，可升級(jí)為 20 μm像素的設(shè)備，以提高視覺(jué)分辨率至20/100甚至20/40。這一突破意味著未來(lái)可能有更高質(zhì)量的人工視覺(jué)設(shè)備，使視障人士獲得更接近正常人的視覺(jué)體驗(yàn)。

“仿生”視網(wǎng)膜植入的初步系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

光遺傳學(xué)新方法

光遺傳學(xué)（Optogenetics）是一門(mén)將光學(xué)和遺傳學(xué)技術(shù)相結(jié)合的新興學(xué)科，其具有遠(yuǎn)程無(wú)痕、時(shí)空特異性、可調(diào)節(jié)性和可逆性等特點(diǎn)。目前被廣泛應(yīng)用于生物基礎(chǔ)研究，如控調(diào)控基因組轉(zhuǎn)錄活性、重組信號(hào)通路、控制核酸酶的活性，此外也廣泛應(yīng)用于生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如糖尿病治療、腫瘤治療等。

Photonics West2025同期神經(jīng)技術(shù)會(huì)議上，Ofer Yizhar博士分享了他們開(kāi)發(fā)的一種創(chuàng)新性光學(xué)技術(shù)，他另辟蹊徑利用一種名為G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）的光敏蛋白（也被稱(chēng)為視蛋白）對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行修飾。與傳統(tǒng)基于通道的光遺傳學(xué)工具不同，GPCR通路在光關(guān)閉后仍能持續(xù)活動(dòng)，產(chǎn)生持久效果，且所需光量比傳統(tǒng) “通道” 方法少約四個(gè)數(shù)量級(jí)（一萬(wàn)倍）。

Ofer Yizhar和博士生Daniel Zelmanof正在研究一種針對(duì)腦部光瞄準(zhǔn)的新方法

據(jù)悉，該成果2016年在魏茨曼科學(xué)研究所開(kāi)始研發(fā)，已在小鼠身上證明有效性。2023年與梅奧診所合作，在麻醉誘發(fā)癲癇的豬身上成功止住癲癇發(fā)作。他預(yù)計(jì)在未來(lái)十年內(nèi)，該研究將取得更進(jìn)一步的進(jìn)展，有望獲得監(jiān)管部門(mén)的批準(zhǔn)。同時(shí)，在2022年，他聯(lián)合創(chuàng)立了初創(chuàng)公司Modulight.bio，旨在將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化，用于治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病，為眾多飽受病痛折磨的患者帶來(lái)新的希望。

五、全球最高亮度水平的藍(lán)光激光器誕生

隨著近期向電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)型加速，對(duì)更先進(jìn)的銅材料加工的需求迅速增長(zhǎng)，這意味著改進(jìn)激光加工技術(shù)至關(guān)重要。高功率近紅外（NIR）光纖激光器因其高電光轉(zhuǎn)換效率和出色的光束質(zhì)量，被廣泛應(yīng)用于金屬的激光加工。然而，使用近紅外光纖激光器進(jìn)行銅焊接很困難，因?yàn)殂~在近紅外范圍內(nèi)吸收率低，且熱導(dǎo)率高，這會(huì)導(dǎo)致焊接點(diǎn)的熱量迅速擴(kuò)散。

近期，日本的日亞化學(xué)（Nichia）和古河電氣（Furukawa Electric）合作在藍(lán)光激光二極管方面獲得重大進(jìn)展，他們聯(lián)合開(kāi)發(fā)了新型800W藍(lán)光激光二極管模塊，進(jìn)而成功研制出了一種新型5 kW藍(lán)光激光器，實(shí)現(xiàn)了光纖輸出的全球最高亮度水平。該激光器可將銅焊接時(shí)間減少三分之二，將電機(jī)漆包線(xiàn)加工時(shí)間縮短了20%，并實(shí)現(xiàn)無(wú)飛濺焊接。

使用5 kW藍(lán)色激光器對(duì)4 mm厚的銅進(jìn)行混合處理（俯視圖）來(lái)源：Furukawa Electric

此外，激光加工技術(shù)在玻璃微孔鉆孔、AI芯片封裝、量子計(jì)算光學(xué)器件制造等方面也展現(xiàn)出巨大潛力，為未來(lái)高精度制造提供了新的可能性。

小 結(jié)

這些技術(shù)的進(jìn)步不僅推動(dòng)了學(xué)術(shù)研究，也促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，預(yù)計(jì)將在未來(lái)幾年內(nèi)對(duì)信息通信、生命科學(xué)、醫(yī)療器械和先進(jìn)制造等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。隨著更多技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)，我們正迎來(lái)一個(gè)由光子科技驅(qū)動(dòng)的新時(shí)代。