研究人員首次在標(biāo)準(zhǔn)芯片上放置光子濾波器和調(diào)制器

來(lái)源：Spectrum IEEE

悉尼大學(xué)納米研究所的Alvaro Casas Bedoya（手持新型光子芯片）和Ben Eggleton。

悉尼大學(xué)的研究人員將光子濾波器和調(diào)制器組合在單個(gè)芯片上，由此能夠精確檢測(cè)寬帶射頻(RF)頻譜的信號(hào)。該研究進(jìn)一步促進(jìn)了光子芯片取代光纖網(wǎng)絡(luò)中體積更大、更復(fù)雜的電子射頻芯片的發(fā)展。

悉尼團(tuán)隊(duì)利用受激布里淵散射技術(shù)，該技術(shù)涉及將某些絕緣體（例如光纖）中的電場(chǎng)轉(zhuǎn)換為壓力波。2011年，研究人員報(bào)告稱(chēng)，布里淵散射具有高分辨率濾波的潛力，并開(kāi)發(fā)出了新的制造技術(shù)，將硫族化物布里淵波導(dǎo)結(jié)合到硅芯片上。2023年，他們?cè)O(shè)法成功地將光子濾波器和調(diào)制器結(jié)合在同一類(lèi)型的芯片上。該團(tuán)隊(duì)在11月20日發(fā)表在《自然通訊》上的一篇論文中報(bào)告稱(chēng)，這種組合使實(shí)驗(yàn)芯片的光譜分辨率達(dá)到37兆赫茲，而且?guī)挶纫郧暗男酒鼘挕?/p>

荷蘭特溫特大學(xué)的納米光子學(xué)研究員David Marpaung表示：“調(diào)制器與這種有源波導(dǎo)的集成是這里的關(guān)鍵突破。” Marpaung十年前與悉尼團(tuán)隊(duì)合作，現(xiàn)在領(lǐng)導(dǎo)自己的研究團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)正在采取不同的方法，尋求在微型封裝中實(shí)現(xiàn)寬帶、高分辨率光子無(wú)線電靈敏度。Marpaung 表示，當(dāng)有人在100 GHz頻段達(dá)到低于10 MHz的頻譜分辨率時(shí)，他們將能夠取代市場(chǎng)上體積笨重的電子射頻芯片。此類(lèi)芯片的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它們可以將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，以便通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)直接傳輸。這場(chǎng)競(jìng)賽的獲勝者將能夠進(jìn)入電信提供商和國(guó)防制造商的巨大市場(chǎng)，他們需要能夠可靠地導(dǎo)航復(fù)雜射頻(RF)環(huán)境中的無(wú)線電接收器。

Marpaung說(shuō)，“硫族化物具有非常強(qiáng)的布里淵效應(yīng)；這點(diǎn)非常好，但仍然存在一個(gè)問(wèn)題，即是否可擴(kuò)展……它仍然被視為實(shí)驗(yàn)室材料”。悉尼團(tuán)隊(duì)必須找到一種新方法，將5平方毫米封裝的硫族化物波導(dǎo)安裝到標(biāo)準(zhǔn)制造的硅芯片中，這并非易事。2017年，該團(tuán)隊(duì)想出了如何將硫族化物組合到硅輸入/輸出環(huán)上，但直到今年才有人用標(biāo)準(zhǔn)芯片來(lái)管理這種組合。

光子芯片是全球共同的努力

其他研究團(tuán)隊(duì)正在研究可能也提供類(lèi)似性能的不同材料。例如，鈮酸鋰具有比硅更好的調(diào)制器特性，Marpaung在仍在接受同行評(píng)審的工作中表明，鈮酸鋰可以通過(guò)布里淵散射提供類(lèi)似的高分辨率濾波。耶魯大學(xué)Peter Rakich領(lǐng)導(dǎo)的另一個(gè)團(tuán)隊(duì)去年展示了純硅波導(dǎo)和芯片組合可以在6 GHz頻段實(shí)現(xiàn)2.7 MHz濾波。這項(xiàng)研究沒(méi)有集成調(diào)制器，但它表明了有一種可能更簡(jiǎn)單的制造路徑，涉及更少材料。

也就是說(shuō)，悉尼團(tuán)隊(duì)的方法可能需要比硅更好的聲學(xué)性能。研究人員了解布里淵效應(yīng)已有100多年的歷史，但近幾十年來(lái)又重新引起了人們的興趣。過(guò)去，研究人員在重新傳輸信息之前用它將信息存儲(chǔ)在光脈沖中，這是一種避免將光轉(zhuǎn)化為電能并再次返回的技巧。

當(dāng)然，集成光子芯片的夢(mèng)想有許多活動(dòng)部件。悉尼研究人員寫(xiě)道，其他人制造的調(diào)制器正在快速改進(jìn)，這也將有助于他們的技術(shù)。相關(guān)技術(shù)的其他進(jìn)步可能有利于其他一些致力于集成光子芯片的團(tuán)隊(duì)。“如果你解決了集成問(wèn)題、性能問(wèn)題和實(shí)用性，你就會(huì)獲得市場(chǎng)認(rèn)可，”Marpaung說(shuō)。

審核編輯 黃宇