文章來源：“愛光學(xué)”公眾號

“后摩爾時代”，電子芯片面臨挑戰(zhàn)，光子集成芯片（PICs）因其優(yōu)勢成為突破瓶頸的關(guān)鍵。它在通信、計算等領(lǐng)域有巨大潛力?！都す馀c光電子學(xué)進展》2024年第19期刊登了中山大學(xué)李朝暉教授課題組的“硫系光子集成芯片”綜述文章，作為創(chuàng)刊六十周年專題封面文章。

1、背景  

隨著信息技術(shù)的日新月異，光子集成芯片（PICs）正日益凸顯其在通信、高性能計算、精密傳感以及量子信息科學(xué)等多個前沿科技領(lǐng)域的核心地位。作為一種利用光子作為信息傳輸與處理載體的革命性技術(shù)，光子集成芯片相較于傳統(tǒng)的電子芯片，展現(xiàn)出了顯著的性能優(yōu)勢：處理速度更快，能夠支持超高速數(shù)據(jù)傳輸與處理；信息失真程度更低，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母弑Ｕ娑?；且能耗更低，有助于實現(xiàn)高效節(jié)能的信息處理系統(tǒng)。這些特性使得光子集成芯片被視為“后摩爾時代”信息技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，為解決傳統(tǒng)電子芯片面臨的性能瓶頸與能耗限制提供了全新的解決方案，預(yù)示著信息技術(shù)領(lǐng)域的一場深刻變革。

2、發(fā)展現(xiàn)狀  

2.1 光子集成芯片的技術(shù)突破

光子集成芯片技術(shù)突破，推動片上光傳感芯片從實驗室邁向應(yīng)用。它因高速、精密、多功能傳感的需求而崛起，尤其在醫(yī)療、環(huán)境、工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域潛力巨大。未來趨勢是高集成度、低功耗、廣應(yīng)用。此機遇促使寬帶寬、高效率、多功能柔性光子材料及芯片，如III-V族材料（氮化硅、鈮酸鋰、碳化硅、氮化鋁、硫系玻璃）等的深入研發(fā)與量產(chǎn)。隨著信息技術(shù)發(fā)展和高性能傳感器需求增長，這類芯片有望替代傳統(tǒng)技術(shù)，提供高效、高性能、集成化、小型化傳感方案。

2.2 硫系光子集成芯片的研究進展

硫系玻璃集成光子器件因其獨特的物理特性而備受關(guān)注。硫系玻璃（ChGs）的折射率可以在較寬的范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)，且在光學(xué)信號處理中因其較大的光彈性系數(shù)、低傳播損耗、寬透明度窗口以及與多種材料平臺的良好兼容性而被廣泛使用。

圖1 GeSbS材料的光學(xué)性質(zhì)。(a)測量GeSbS塊狀材料的透射窗口和折射率；(b)用于測定GeSbS諧振器熱光系數(shù)(TOC)以及其諧振頻率隨溫度的變化

圖2 基于GeSbS材料的鍍膜以及器件制備。(a) 基于GeSbS材料的4 inch薄膜制備；(b)薄膜厚度均勻性；(c)薄膜折射率均勻

2.3 光子集成芯片的多材料體系

為了實現(xiàn)高性能的光子芯片，多材料體系可以實現(xiàn)一系列高性能器件的制造，包括高相干的激光器和光頻梳、超低損耗的波導(dǎo)、超高非線性器件和高速調(diào)制器等。本文綜述了基于光彈性效應(yīng)的GeSbS集成器件的優(yōu)化制造及其應(yīng)用的最新進展，開發(fā)了一種改進的ChG波導(dǎo)制造工藝，與硅光子集成兼容，滿足穩(wěn)定、高重復(fù)率的制備工藝的需求，并展示了ChG集成器件在超聲探測器、光聲成像和聲光(AO)調(diào)制器的應(yīng)用。

圖3 基于ChG的片上超聲探測器性能研究。(a)基于ChG的片上超聲探測器制備流程；(b)基于ChG的片上微盤腔結(jié)構(gòu)超聲探測器Q值達到1.48×106；(c)基于ChG的3個級聯(lián)片上超聲探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計；(d)3個超聲探測器的并行光譜和超聲信號解調(diào)；(e) 基于懸浮結(jié)構(gòu)的ChG微盤諧振器工藝流程；(f)制備的懸浮結(jié)構(gòu)ChG微盤諧振器具有1.10×106的光學(xué)Q值

圖4 基于ChG超聲探測器陣列的光聲層析成像應(yīng)用。(a)成像概念圖；(b)數(shù)字光頻梳技術(shù)用于陣列器件并行光譜解調(diào)的裝置圖；(c)基于ChG的超聲探測器及其陣列結(jié)構(gòu)；(d)經(jīng)過光纖耦合封裝后的超聲探測器陣列；(e)葉脈的光聲成像圖；(f)生長期為7天的斑馬魚光聲成像結(jié)果；(g)生長期為21天的斑馬魚光聲成像結(jié)果

圖5 不同結(jié)構(gòu)的AO調(diào)制器。(a)片上集成推挽式AO調(diào)制器原理圖；(b)聲表面波模場仿真；(c)片上氮化鋁基于聲光效應(yīng)的隔離器；(d)使用聲表面波(SAW)和蘭姆波(LAMB)技術(shù)的全集成的AO調(diào)制光學(xué)圖像；(e)具有SiO2包圍硅肋波導(dǎo)和AIN薄膜聲表面波的集成AO調(diào)制器的橫截面；(f), (g) 基于片上氮化鋁薄膜的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計的AO調(diào)制器

3、總結(jié)與展望  

光子集成芯片技術(shù)正處于一個迅猛發(fā)展的階段，其在光通信、光計算、光傳感等多個高科技領(lǐng)域的應(yīng)用前景極為廣闊。從技術(shù)層面的突破性進展到材料科學(xué)的創(chuàng)新、再到多材料體系的高效集成，光子集成芯片正穩(wěn)步跨越當(dāng)前的技術(shù)瓶頸與挑戰(zhàn)，展現(xiàn)出在下一代信息技術(shù)中顛覆傳統(tǒng)、引領(lǐng)變革的巨大潛力。隨著先進制造技術(shù)的持續(xù)演進和新型功能材料的不斷涌現(xiàn)，光子集成芯片有望在高速通信、并行計算、高精度傳感等關(guān)鍵信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮愈發(fā)核心而不可或缺的作用，為信息技術(shù)的未來發(fā)展開辟全新的路徑與機遇。

課題組簡介：

廣東省光電信息處理芯片與系統(tǒng)重點實驗室依托中山大學(xué)，重點研究硅基硫系材料、光芯片等，已取得多項國際領(lǐng)先水平成果，致力于推動超大容量數(shù)據(jù)中心互聯(lián)及處理技術(shù)的發(fā)展。

上海芬創(chuàng)信息科技有限公司成立于2004年，公司依托復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)等知名學(xué)府，充分利用上海人才匯聚優(yōu)勢，致力于精密光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用。芬創(chuàng)科技自創(chuàng)立以來始終秉承技術(shù)為先、引進與創(chuàng)新并舉的發(fā)展戰(zhàn)略，將國際的“光”應(yīng)用技術(shù)與產(chǎn)品引進國內(nèi)的同時，研發(fā)出具有國內(nèi)精密位移臺、除振系統(tǒng)等，并擁有多款自主知識產(chǎn)權(quán)的系列產(chǎn)品。目前，芬創(chuàng)科技已經(jīng)合作的客戶包括眾多國內(nèi)知名的微電子領(lǐng)域、精密加工領(lǐng)域、激光加工領(lǐng)域、生物醫(yī)療領(lǐng)域、各大高校研究所、中科院下屬研究所及國際知名檢測設(shè)備等眾多企業(yè)與機構(gòu)。