集成光芯片，美國推出新方法

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將數十億個電子設備集成到幾平方英寸大小的計算機芯片，推動了數字經濟的發展，并改變了世界。科學家們或許即將開啟一場類似的科技革命——這一次，他們將利用光來實現這一目標。

為了實現這一目標，美國國家標準與技術研究院(NIST) 的科學家及其合作者取得了一項重大進展：他們開創性地開發出一種制造光集成電路的方法，即在硅片上沉積復雜的特殊材料圖案。這些所謂的光子芯片利用激光器、波導、濾波器和開關等光學器件來傳輸光信號并處理信息。這項新進展有望極大地推動人工智能、量子計算機和光原子鐘等新興技術的發展。

美國國家標準與技術研究院（NIST）物理學家斯科特·帕普表示，制造像電子電路一樣強大且無處不在的光電路是當今的技術前沿之一。帕普的研究團隊領導了這項研究，相關成果已于本周發表在 《自然》雜志上。“我們正在學習如何制造具有多種功能的復雜電路，這些電路的應用領域非常廣泛。”

在信息傳輸和處理方面，光能做到電做不到的事情。光子——光的粒子——在電路中傳輸信息的速度遠比電子快。

激光對于控制強大的新興量子技術（如光原子鐘和量子計算機）也至關重要。

但集成光子學要真正蓬勃發展，仍面臨諸多挑戰。其中之一便是激光器。高質量、緊湊且高效的激光器目前僅能產生少數幾種波長（或顏色）的光。例如，半導體激光器非常擅長產生波長為980納米（即十億分之一米）的紅外光——這種顏色的光剛好超出人眼可見范圍。

諸如光學原子鐘和量子計算機等新興技術也需要多種其他顏色的激光。然而，產生這些顏色的激光器體積龐大、成本高昂且耗電量巨大，這實際上限制了這些量子技術的應用，使其僅限于少數專用實驗室。

通過將激光器集成到芯片電路中，科學家們希望能夠幫助量子技術變得更便宜、更便攜，從而使其能夠開始實現其巨大的潛力。

NIST 的新型光子芯片有點像千層蛋糕。NIST 的物理學家帕普和格蘭特·布羅德尼克及其同事以一塊標準的硅晶片為基礎，該晶片涂覆有二氧化硅（玻璃）和鈮酸鋰，鈮酸鋰是一種所謂的非線性材料，可以改變入射光的顏色。

研究人員隨后添加了金屬片，以電控方式控制電路中不同顏色光的轉換。科學家們還創建了其他金屬-鈮酸鋰界面，使他們能夠快速地在電路中開關光——這對于數據處理和高速路由至關重要。

更令人驚喜的是，另一種非線性材料——五氧化二鉭（簡稱鉭鐵礦）——的出現。鉭鐵礦能夠以神奇的方式轉換光，它能吸收單一顏色的激光，并發出完整的可見光彩虹以及各種紅外波長的光。帕普及其同事多年來致力于 研發無需加熱即可用鉭鐵礦制造電路的技術 ，使得這種材料可以沉積到其他材料上而不會造成損壞。

研究人員通過將不同材料以三維堆疊的方式層疊排列，制造出一種能夠高效地在各層之間傳輸光線的單芯片。這使得他們能夠將鉭金屬的光操控特性與鈮酸鋰的可控性相結合。布羅德尼克表示，這項新技術“實現了無縫集成”。“真正的優勢在于，鉭金屬可以添加到現有的電路中。”

最終，研究人員成功地將大約50個指甲蓋大小的芯片（每個芯片包含1萬個光子電路，每個電路輸出一種獨特的顏色）集成到一塊與啤酒杯墊大小相仿的晶圓上。“我們只需設計電路就能創造出所有這些不同的顏色，”帕普說道。

量子技術，例如量子鐘和量子計算機，可能是集成光子學的最大受益者之一。這些設備通常利用原子陣列來存儲和處理信息。對于每種原子，物理學家都需要定制與其內部量子能級相匹配的激光器。例如，常用于量子計算機和量子鐘的銣原子對波長為780納米的紅光有響應。另一種常用的原子——鍶原子則“看到”波長為461納米的藍光。用其他顏色的光照射這些原子，則不會發生任何反應。

產生這些定制顏色所需的笨重、昂貴且復雜的激光器一直是量子計算機和光鐘走出實驗室、走向實際應用的主要障礙，而它們在實際應用中本可以產生巨大的影響。例如，廉價、低功耗、便攜式光鐘可以幫助預測火山爆發和地震，為定位和導航提供GPS的替代方案，并幫助科學家探索暗物質的本質等科學謎題。量子計算機則有望為研究藥物和材料的物理化學性質提供新的途徑。

集成光子電路并非僅限于量子計算。帕普認為，美國國家標準與技術研究院（NIST）的光子芯片可以幫助科技公司高效地在專用芯片之間傳輸信號，從而有可能提升人工智能工具的功能和效率。科技公司也對利用光子技術改進虛擬現實顯示效果很感興趣。

帕普和布羅德尼克表示，雖然NIST的芯片尚未準備好量產，但其制造技術為未來的發展指明了方向。NIST的科學家們與位于科羅拉多州路易斯維爾的初創公司Octave Photonics的專家合作，該公司由NIST的前研究人員創立，目前正致力于擴大這項技術的規模。

“當你在實驗室里看到芯片發光，吸收不可見光，并在一個集成芯片中產生所有這些可見光時——很明顯，它可能有很多潛在的應用，”帕普說。

https://www.hpcwire.com/off-the-wire/nist-advances-integrated-photonics-with-multimaterial-chip-fabrication-approach/

（來源：編譯自HPCWIRED）

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。

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