光子芯片新方向：生物材料能否补足硅光短板

生物材料正在为光子芯片打开另一条路，不再沿着硅光路线走。

电子电路的速度和能效已接近基础物理极限，摩尔定律的推进也慢了下来。用光代替电子来处理和传输信息，被不少研究者视为破局方向。可如今的光子芯片仍然离不开刚性无机半导体——电子产业里那套主导材料。一篇新发表的观点综述给出了另一种设想：光子学的未来或许不是靠“造”，而是靠“长”。

这篇文章题为《生物材料基可持续集成微纳光子的前景》，2026年11月1日在线发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。完成方包括俄罗斯科学院普罗霍罗夫普通物理研究所与土耳其伊兹密尔理工学院等机构的研究者。文章对快速扩张的集成生物光子学做了系统梳理，也就是把生物材料与光子器件结合。在作者看来，荧光蛋白、DNA、丝素蛋白、叶绿素这类材料并非只是环保型替代品，它们还具备合成材料没有的能力：基因可编程性、自组装能力，以及同活体组织无缝衔接的界面特性。

核心判断是：“生物材料最有效的角色，不是全盘取代无机半导体，而是作为功能上专门化的组件，以其独特的物理化学属性去补足传统平台。”文章同时承认，生物材料器件在效率与寿命上总体仍落后于无机方案，其决定性优势集中在边界清晰的细分场景：植入式与可穿戴诊断、即时检测生物传感器，以及尚在萌芽的量子生物光子平台。这个自我限定很关键，后续所有数字该怎么读，都由它决定——它们是“够用且附带其他好处”的指标，不是替代性指标。

产业化程度最高的是无源器件。丝素蛋白与DNA-CTMA通道波导在可见光与通信波段的光损耗最低可达0.24 dB/cm，整体控制在1 dB/cm以内，与常规聚合物波导相当甚至更优。工艺路径更值得关注：这类波导可用兼容

从数据看，发光这一环已经摸到了实用门槛。用改造荧光蛋白搭出的生物混合LED，光效在130流明/瓦上下，能连续工作3600小时以上（折合约150天），水平和稀土荧光粉LED相当，新生儿黄疸光疗和伤口修复两个方向已经在试。可降解、不含重金属，这两点在医疗场景里本身就有吸引力：用完扔掉就行，不必回收，隐性成本的优势就出来了。再往前一步是激光器，研究者拿丝素蛋白加mCherry荧光蛋白，做出了全固态、蛋白基的回音壁模式激光器。它还处在早期，但指向的是细胞内传感、高通道数细胞标记这类硅基器件不容易进的场景。

收光和存算这两头同样露出了苗头。细菌视紫红质或荧光蛋白配上光电忆阻器，可以模拟突触可塑性，支撑存内计算和图像预处理，单次事件能耗最低0.25飞焦。综述里还收了生物混合光伏器件，光电转换效率最高约20%。发光、收光、存算三个环节都各有落点，这套材料体系并非只在某一点上取得突破。

把这几项放回当下的产业坐标里看，位置会更清楚。光子芯片正从实验室往产线走：硅光整合平台已经进入量产节奏，共封装光学被当成AI数据中心互连的关键形态，据机构测算，相关光子集成电路产能正从每月数百片往万片级爬。材料平台的竞争同时也在升温，硅、氮化硅、磷化铟、薄膜铌酸锂、钛酸钡各有人押注，共同的思路无非是更大的晶圆、更成熟的CMOS工艺、更高的带宽密度。生物材料不在这条主线上抢位置：它不比带宽纪录，换的是柔性、可降解、生物相容，还有溶液法带来的低制备成本。所以把它读成“替代硅光”是误判——它争的根本不是同一张榜单。

原理侧不是问题，真正卡住的是工艺。蛋白质一过40–50℃就变性，多数生物材料碰上标准半导体制造用的溶剂、等离子体和热处理就会降解，连医疗器械常见的灭菌流程都可能要命。学界正用封装、化学交联、基因工程这些办法缓解，但文章指出，面向生物光子集成的标准化工艺规范和工艺设计套件“几乎仍是空白”。另外两个问题只有产业界才会提：洁净室允不允许生物材料进CMOS产线，以及有没有代工厂肯为它开专线。前一个归管理，后一个归商业，都比写一篇论文难办。

这条路线目前由学术界主导。丝素蛋白光子器件的研究传统可追溯到美国

作者认为，基于生物材料的混合光子器件全套集成技术，已经近在眼前。这为基于混合微纳结构的光子集成电路设计铺平了道路。接下来要做的是开发兼容CMOS的生物图形化工艺、建立标准化表征方案、推出可供高校与产业晶圆厂共用的开源设计套件。按眼下的成熟度判断，全集成生物光子芯片仍是长期目标，不是三五年内能拿出来的产品。真正该盯的刻度有三个：可用的开源设计套件与代工通道会不会出现，封装后的器件寿命能不能从数千小时抬到年级别，以及有没有通过监管审批的终端产品冒出来。

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