MIT「內爆雕刻」突破奈米光子製造瓶頸，可見光光學運算邁向微型化

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科技產業資訊室(iKnow) - 黃松勳發表於 2026年5月18日

圖、MIT「內爆雕刻」突破奈米光子製造瓶頸，可見光光學運算邁向微型化

近年生成式AI與高速運算需求快速升溫，全球科技產業除了持續追求更強大的半導體效能，也開始探索「以光運算取代電子運算」的新路徑。在此趨勢下，MIT研究團隊提出名為「內爆雕刻」（Implosion Carving, ImpCarv）的新型奈米製造技術，可將原本微米尺度的三維結構大幅縮小至奈米等級，並能精準操控可見光波段的光學特性。研究成果顯示，該技術有機會成為下一代光學AI晶片、超材料與奈米光子裝置的重要製造平台。

研究團隊指出，傳統光子元件雖可利用光進行高速資料傳輸，但在可見光波段下，要實現真正有效的光學計算，元件特徵尺寸必須低於100奈米。然而，目前主流的雙光子微影(two-photon lithography)或電子束微影(electron-beam lithography)技術，仍存在解析度、三維結構製造能力或成本上的限制。ImpCarv的出現，意味著奈米光子製造正式跨入兼具3D結構與高解析度的新階段。

ImpCarv的核心概念，是先在水凝膠(hydrogel)材料中利用雷射「雕刻空缺」(vacancy)，再透過等向性收縮(isotropic shrinkage)將整體結構同步縮小。研究人員先將水凝膠浸泡於光敏染料中，再以多光子雷射激發特定區域，產生活性氧(ROS)切斷材料鍵結，形成極細微的空洞結構。之後再藉由離子溶液與超臨界乾燥(supercritical drying)技術，使整體結構縮小超過10倍，體積甚至可壓縮至原本的約1/2000。

研究顯示，ImpCarv可將原本約800奈米的圖樣壓縮至低於100奈米，並在橫向與軸向都實現數十奈米等級的解析度。其中，研究團隊透過電子顯微鏡(SEM)與原子力顯微鏡(AFM)驗證，最終結構可達約67奈米的橫向特徵尺寸，以及約22奈米的高度階差，顯示其已具備可見光奈米光子應用所需的精密度。

與傳統加積層製造(additive manufacturing)不同，ImpCarv採取類似「減法雕刻」的方式建立內部空缺，因此更適合製造高長寬比(high aspect ratio)或複雜三維結構。研究團隊成功展示類似蝴蝶翅膀的奈米結構，以及立體螺旋結構等高難度設計，這些形貌在既有雙光子微影技術中往往容易因結構過細而崩塌。

更重要的是，ImpCarv不只是製造技術突破，也意味著材料內部的折射率(refractive index)可被精準控制。研究指出，經過乾燥後，材料與空缺之間可形成約0.5的折射率差異，足以在可見光波段下進行高精度相位控制(phase control)。這讓奈米尺度的3D超材料(meta-structure)真正具備操作光線傳播與繞射的能力。

基於此特性，MIT團隊進一步打造出一種全光學機器學習(all-optical machine learning)裝置。該系統利用多層奈米光學陣列，讓光在傳播過程中完成類似神經網路的運算，並成功執行手寫數字辨識任務。研究中，每個神經元(neuron)尺寸僅約500奈米，遠小於目前多數光學AI元件，且可直接在532奈米可見光波段運作。

從產業角度觀察，這類技術若未來能進一步量產化，將可能改變AI硬體架構。現行生成式AI運算高度依賴GPU與高耗能資料中心，而光學運算具備低延遲、低耗能與高速並行處理等特性，被視為下一代AI晶片的重要方向之一。ImpCarv則提供了一條新的奈米光子元件製造路徑，讓光學AI從概念驗證逐步朝實際應用靠近。

研究團隊也指出，未來除了光學運算之外，ImpCarv還可延伸至高通量影像、高靈敏生醫感測、微流體晶片與奈米流體裝置等領域。例如，研究人員正規劃利用相同原理開發細胞分類系統，希望透過光學方式快速辨識血液中的罕見癌細胞。(1198字；圖1)

參考資料：
Isotropic shrinkage of patterned vacancies enables three-dimensional nanoprecise metastructures for visible light applications. Nature Photonics, 2026/5/12
MIT scientists shrink light-bending devices 2,000 times in a major breakthrough. Interesting Engineering, 2026/5/13
'Implosion carving' shrinks 3D photonic devices 2,000-fold for visible-light computing. Phys Org, 2026/5/12
Powerful shrinking technique could enable devices that compute with light. MIT News, 2026/5/12

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