光子芯片，又进一步

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自IEEE

研究人员首次将光子滤波器和调制器放置在标准芯片上。

悉尼大学的研究人员将光子滤波器和调制器组合在单个芯片上，使他们能够精确检测宽频带射频 (RF) 频谱的信号。这项工作使光子芯片距离取代光纤网络中体积更大、更复杂的电子射频芯片的日子又近了一步。

悉尼团队利用受激布里渊散射（Brillouin scattering）技术，该技术涉及在某些绝缘体（例如光纤）中将电场转换为压力波。2011 年，研究人员报告称，布里渊散射具有高分辨率滤波的潜力，并开发了新的制造技术，将硫族化物布里渊波导结合到硅芯片上。2023 年，他们成功地将光子滤波器和调制器结合在同一类型的芯片上。该团队在 11 月 20 日发表在《自然通讯》上的一篇论文中报告称，这种组合使实验芯片的光谱分辨率达到 37 兆赫兹，并且带宽比以前的芯片更宽。

荷兰特温特大学的纳米光子学研究员David Marpaung表示：“调制器与有源波导的集成是这里的关键突破。” Marpaung 十年前与悉尼小组合作，现在领导自己的研究小组，该小组正在采取不同的方法，寻求在微型封装中实现宽带、高分辨率光子无线电灵敏度。

Marpaung 表示，当有人在 100 GHz 频段达到低于 10 MHz 的光谱分辨率时，他们将能够取代市场上体积较大的电子 RF 芯片。此类芯片的另一个优点是它们可以将射频信号转换为光信号，以便通过光纤网络直接传输。这场竞赛的获胜者将能够进入电信提供商和国防制造商的巨大市场，他们需要能够可靠地在复杂的射频 (RF) 环境中导航的无线电接收器。

光子芯片是全球共同努力

其他研究小组正在研究可能也提供类似性能的不同材料。例如，铌酸锂比硅具有更好的调制器特性，Marpaung 在仍在接受同行评审的工作中表明，铌酸锂可以通过布里渊散射提供类似的高分辨率滤波。耶鲁大学 Peter Rakich 领导的另一个研究小组去年表明，纯硅波导和芯片组合可以在 6 GHz 频谱带上实现 2.7 MHz 滤波。这项工作没有集成调制器，但它暗示了一种可能更简单、涉及更少材料的制造路径。

也就是说，悉尼团队的方法可能需要比硅更好的声学性能。研究人员了解布里渊效应已有 100 多年的历史，但近几十年来又重新引起了人们的兴趣。过去，研究人员使用它在重新传输之前将信息存储在光脉冲中，这种技巧可以避免将光转换为电并再次转换回来的需要。

当然，集成光子芯片的梦想有许多活动部件。悉尼研究人员写道，其他人制造的调制器正在快速改进，这也将有助于他们的技术。相关技术的其他进步可能有利于其他一些致力于集成光子芯片的团队。“如果你解决了集成问题、性能问题和实用性，你就会获得市场认可，”Marpaung 说。

集成光子电路尺寸缩小

2017年，哥伦比亚大学的研究人员制造出了集成光子电路。研究人员认为，他们的发现相当于用半导体晶体管取代计算机中的真空管，这有可能彻底改变光通信和光信号处理。

研究界一直在热衷于构建集成光子电路，这种电路可以缩小到计算机芯片中使用的集成电路 (IC) 的尺寸。但存在一个大问题：当您使用光的波长而不是电子来传输信息时，您根本无法将波长压缩到足以在这些较小的芯片级尺寸中工作。

在《自然纳米技术》杂志上描述的研究中，哥伦比亚大学研究人员制造的集成光子电路充当波导模式转换器，可以将一种波导模式转变为另一种波导模式。这种波导模式转换器是“模分复用”技术的关键推动者，该技术使用相同颜色的光但几种不同的波导模式同时传输独立的信息通道，全部通过同一波导。这是一种增加片上光通信通道容量的策略。

“其效果就像是，乔治华盛顿大桥突然能够处理数倍的交通量，或者一个足球场可以神奇地容纳多支球队同时比赛而不受干扰，”助理教授Yu南方解释道哥伦比亚大学教授、该研究的合著者告诉 IEEE Spectrum。

这些成就的关键是将超表面结构集成到光波导上，以缩小器件的占地面积并拓宽工作带宽。超表面是非常薄的二维结构平面。由于它们的结构，它们以不寻常的方式操纵光——最值得注意的是它们缩短了光的波长。

哥伦比亚大学的研究人员制造了由具有亚波长间距的纳米天线阵列组成的超表面结构。这些纳米天线本质上是从波导芯内部拉出光，改变光的特性并将光释放回波导中。如果纳米天线排列得足够密集，它们可以在不超过波长两倍的传播距离内转换波导模式。

纳米天线可以由支持等离子体共振的金属材料或支持所谓的米氏共振的介电材料制成。这些共振是存在于天线附近的振荡、自重复波。

“这些天线在亚波长间隔内产生的强光散射可以在所有设备配置中提供最有效的导波控制，这是实现小型设备占地面积的关键，”Yu 说。“此外，纳米天线形成‘相控阵’，能够实现光功率从入射波导模式到输出波导模式的单向传输，这使我们能够在不超过两倍的距离上实现完整的波导模式转换。自由空间波长。”Yu表示，与当前设计相比，这有效地将实现波导模式转换的器件尺寸减小了10至100倍。

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