贝尔实验室：光与芯片结合推进量子计算和神经网络等技术进步

量子计算和光网络的共同点在于光子。最基本的光粒子有朝一日可以进行量子计算机最复杂的计算。他们将通过利用为环绕地球的庞大光纤网络提供动力的相同技术来实现这一目标。

光量子计算是一个令人兴奋的新研究领域，它使用光子来表示量子比特或量子位，这是量子计算中最基本的信息单元。普通比特只能存储0或1两个值中的一个，与此不同，量子位可以同时存储多个值。通过将许多光子量子位组合在一起，光量子计算机有望大大提高计算能力，使当今经典计算机的数字运算技能相形见绌。

这就是光网络的用武之地。我们用来产生通过光纤在全球传播信息的光波长的激光器，可以产生未来光量子计算机使用的量子位，也可以为所有量子计算机提供其他关键组件。现在需要的是一种将这些激光器和探测器直接集成到电子元件中的方法。硅光子学技术利用低成本制造和成熟的微电子技术来引导和控制光。因此，它是一个极好的紧凑型光子平台，可以在芯片上路由光信号。然而，硅作为硅光子平台中的光学介质不能有效地产生或检测光。

在贝尔实验室，我们正在正面解决这个独特的问题。我们在光网络方面的基础研究带来了一些发现，我们现在正在将这些发现应用于通信之外的技术。为此，我们正在开发新的解决方案，以解决将有源光学元件融合到硅光子学上的问题。我们的专业领域之一是使用一种特殊类别的半导体合金，即III-V族材料，该材料以其在元素周期表上的位置命名。通过我们成熟的异构硅基III-V族技术实现的光源、调制器和探测器的集成，贝尔实验室找到了使用这些材料增强硅光子集成电路功能的方法，从而在芯片规模上有效地再现了小型化的光纤网络。

本文中，将介绍这项研究的一些潜在应用，以及贝尔实验室的团队正在研究的可以使这些应用成为现实的特定集成技术。

量子计算仅仅是个开始。

从III-V族晶体到神经网络

我们看到了人工智能神经网络利用这种异质集成硅光子平台的巨大潜力。神经网络在节点或“神经元”之间产生突触信号，其方式模仿人脑中的神经活动。通常，这些突触信号是电产生的。但是，如果我们在硅光子芯片上使用集成激光器/调制器和探测器来模拟大脑启发的突触结构，那么我们就有可能提高神经网络本已令人印象深刻的计算能力。

所有这些高科技应用都依赖于这种III-V族激光器、调制器和探测器在微小光子芯片上的集成密度。在硅上集成有源光学元件的最古老方法是基于分别制造III-V族半导体和硅光子芯片的混合集成。然后，通过小心地将III-V族芯片与硅芯片并排放置来进行光耦合。这种繁琐的方法不能用于生产大体积的集成激光器，并且会遭受光学损耗。

为了增加集成密度并最大限度地提高光学性能，我们依赖于异质集成，它将大片III-V族半导体粘合到类硅糊状贴纸上。制造完成后，我们获得了几个单一装置的阵列，每个装置大约有一粒沙子大小。

研究团队正在研究其他方法，目的是突破光学性能的极限，优化这种III-V族材料在硅上的集成方式。例如，在之前的一篇文章中，研究人员的同事Claire Besan[gf]e7[/gf]on描述了贝尔实验室的尖端研究，即不是将III-V族材料直接“生长”在硅上，而是将其结合在一起。

更小、更便宜、更可持续

虽然芯片上基于III-V族的器件有许多新兴的应用，但我们也将这些相同的进步应用于已建立的光学技术，使其在工艺中更高效、更便宜、性能更好。

在光学网络中，将激光器集成到硅光子芯片上，将为遍布全球的长途光纤网络带来巨大的性能提升。贝尔实验室与CEA Leti合作，生产出了集成激光器，可以产生更纯净、更稳定的光束，从而提高光传输质量。此外，集成激光器可以与其他组件组合以提高数据传输速率。因此，这项研究将创建更高性能的光网络，同时最大限度地降低基础设施成本。

自动驾驶汽车也可能受益于异构光子技术。如今，许多自动驾驶汽车都使用光探测和测距传感器来扫描周围环境，以便导航和避开行人、障碍物和其他汽车。以低成本和紧凑的外形开发激光雷达系统将是将这些传感器应用于各种车辆的基础。硅光子学集成技术正在迅速向芯片上激光雷达技术发展，与当前的激光雷达技术相比，该技术不仅可以满足这些尺寸和成本要求，还可以提高性能。集成激光器也可以设计成在近红外范围内传输，在近红外区域对人眼更安全，并且它们产生更纯净的光束，提高了定位灵敏度。

最后，通过将激光器和探测器集成到硅片上，减少了运行基于激光的应用程序所需的能源，甚至有可能降低电池材料成本。集成激光器仅使用一小部分材料，这些材料将进入由单独组件组装而成的激光器，从而使这些新技术更具可持续性。

硅光子学最令人兴奋的研究领域之一是新的微转移印刷技术，该技术用许多单独的III-V族芯片取代了大片III-V半导体的键合步骤。在微转移印刷中，仅使用材料的薄膜来在微尺度上形成集成III-V器件的所有光学部件。光学元件完全在薄的III-V族平台上制造，之后我们才能将所有光学元件一起拾取并放置在硅片上的正确位置。IMEC和贝尔实验室通过生产一种可广泛调谐的集成激光器，证明了微转移打印的可行性，该激光器不仅可以应用于电信，还可以应用于光学传感、光谱和医疗保健。

光学激光器可能是在世界各地传输数据的主要手段，但显然它们的潜力更大。III-V族材料技术和硅光子学的结合为从量子计算和加密到人工智能和激光雷达的更多光学应用打开了大门。随着我们在这里描述的进步使集成III-V族器件变得更便宜、更小、更强大，这种潜力只会增加。

这项研究于4月27日，发布在诺基亚贝尔实验室官方网站。