文章來源：“愛光學”公眾(zhong) 號

“後摩爾時代”，電子芯片麵臨(lin) 挑戰，光子集成芯片（PICs）因其優(you) 勢成為(wei) 突破瓶頸的關(guan) 鍵。它在通信、計算等領域有巨大潛力。《激光與(yu) 光電子學進展》2024年第19期刊登了中山大學李朝暉教授課題組的“硫係光子集成芯片”綜述文章，作為(wei) 創刊六十周年專(zhuan) 題封麵文章。

1、背景  

隨著信息技術的日新月異，光子集成芯片（PICs）正日益凸顯其在通信、高性能計算、精密傳(chuan) 感以及量子信息科學等多個(ge) 前沿科技領域的核心地位。作為(wei) 一種利用光子作為(wei) 信息傳(chuan) 輸與(yu) 處理載體(ti) 的革命性技術，光子集成芯片相較於(yu) 傳(chuan) 統的電子芯片，展現出了顯著的性能優(you) 勢：處理速度更快，能夠支持超高速數據傳(chuan) 輸與(yu) 處理；信息失真程度更低，確保了數據傳(chuan) 輸的高保真度；且能耗更低，有助於(yu) 實現高效節能的信息處理係統。這些特性使得光子集成芯片被視為(wei) “後摩爾時代”信息技術發展的關(guan) 鍵技術之一，為(wei) 解決(jue) 傳(chuan) 統電子芯片麵臨(lin) 的性能瓶頸與(yu) 能耗限製提供了全新的解決(jue) 方案，預示著信息技術領域的一場深刻變革。

2、發展現狀  

2.1 光子集成芯片的技術突破

光子集成芯片技術突破，推動片上光傳(chuan) 感芯片從(cong) 實驗室邁向應用。它因高速、精密、多功能傳(chuan) 感的需求而崛起，尤其在醫療、環境、工業(ye) 、物聯網領域潛力巨大。未來趨勢是高集成度、低功耗、廣應用。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（氮化矽、铌酸鋰、碳化矽、氮化鋁、硫係玻璃）等的深入研發與(yu) 量產(chan) 。隨著信息技術發展和高性能傳(chuan) 感器需求增長，這類芯片有望替代傳(chuan) 統技術，提供高效、高性能、集成化、小型化傳(chuan) 感方案。

2.2 硫係光子集成芯片的研究進展

硫係玻璃集成光子器件因其獨特的物理特性而備受關(guan) 注。硫係玻璃（ChGs）的折射率可以在較寬的範圍內(nei) 靈活調節，且在光學信號處理中因其較大的光彈性係數、低傳(chuan) 播損耗、寬透明度窗口以及與(yu) 多種材料平台的良好兼容性而被廣泛使用。

圖1 GeSbS材料的光學性質。(a)測量GeSbS塊狀材料的透射窗口和折射率；(b)用於(yu) 測定GeSbS諧振器熱光係數(TOC)以及其諧振頻率隨溫度的變化

圖2 基於(yu) GeSbS材料的鍍膜以及器件製備。(a) 基於(yu) GeSbS材料的4 inch薄膜製備；(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(ti) 係

為(wei) 了實現高性能的光子芯片，多材料體(ti) 係可以實現一係列高性能器件的製造，包括高相幹的激光器和光頻梳、超低損耗的波導、超高非線性器件和高速調製器等。本文綜述了基於(yu) 光彈性效應的GeSbS集成器件的優(you) 化製造及其應用的最新進展，開發了一種改進的ChG波導製造工藝，與(yu) 矽光子集成兼容，滿足穩定、高重複率的製備工藝的需求，並展示了ChG集成器件在超聲探測器、光聲成像和聲光(AO)調製器的應用。

圖3 基於(yu) ChG的片上超聲探測器性能研究。(a)基於(yu) ChG的片上超聲探測器製備流程；(b)基於(yu) ChG的片上微盤腔結構超聲探測器Q值達到1.48×106；(c)基於(yu) ChG的3個(ge) 級聯片上超聲探測器結構設計；(d)3個(ge) 超聲探測器的並行光譜和超聲信號解調；(e) 基於(yu) 懸浮結構的ChG微盤諧振器工藝流程；(f)製備的懸浮結構ChG微盤諧振器具有1.10×106的光學Q值

圖4 基於(yu) ChG超聲探測器陣列的光聲層析成像應用。(a)成像概念圖；(b)數字光頻梳技術用於(yu) 陣列器件並行光譜解調的裝置圖；(c)基於(yu) ChG的超聲探測器及其陣列結構；(d)經過光纖耦合封裝後的超聲探測器陣列；(e)葉脈的光聲成像圖；(f)生長期為(wei) 7天的斑馬魚光聲成像結果；(g)生長期為(wei) 21天的斑馬魚光聲成像結果

圖5 不同結構的AO調製器。(a)片上集成推挽式AO調製器原理圖；(b)聲表麵波模場仿真；(c)片上氮化鋁基於(yu) 聲光效應的隔離器；(d)使用聲表麵波(SAW)和蘭(lan) 姆波(LAMB)技術的全集成的AO調製光學圖像；(e)具有SiO2包圍矽肋波導和AIN薄膜聲表麵波的集成AO調製器的橫截麵；(f), (g) 基於(yu) 片上氮化鋁薄膜的不同結構設計的AO調製器

3、總結與(yu) 展望  

光子集成芯片技術正處於(yu) 一個(ge) 迅猛發展的階段，其在光通信、光計算、光傳(chuan) 感等多個(ge) 高科技領域的應用前景極為(wei) 廣闊。從(cong) 技術層麵的突破性進展到材料科學的創新、再到多材料體(ti) 係的高效集成，光子集成芯片正穩步跨越當前的技術瓶頸與(yu) 挑戰，展現出在下一代信息技術中顛覆傳(chuan) 統、引領變革的巨大潛力。隨著先進製造技術的持續演進和新型功能材料的不斷湧現，光子集成芯片有望在高速通信、並行計算、高精度傳(chuan) 感等關(guan) 鍵信息技術領域發揮愈發核心而不可或缺的作用，為(wei) 信息技術的未來發展開辟全新的路徑與(yu) 機遇。

課題組簡介：

廣東(dong) 省光電信息處理芯片與(yu) 係統重點實驗室依托中山大學，重點研究矽基硫係材料、光芯片等，已取得多項國際領先水平成果，致力於(yu) 推動超大容量數據中心互聯及處理技術的發展。

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