新型光子芯片全封装

研究人员首次在标准芯片上放置光子滤波器和调制器

来源：Spectrum IEEE

悉尼大学纳米研究所的Alvaro Casas Bedoya（手持新型光子芯片）和Ben Eggleton。

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，由此能够精确检测宽带射频(RF)频谱的信号。该研究进一步促进了光子芯片取代光纤网络中体积更大、更复杂的电子射频芯片的发展。

悉尼团队利用受激布里渊散射技术，该技术涉及将某些绝缘体（例如光纤）中的电场转换为压力波。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，并开发出了新的制造技术，将硫族化物布里渊波导结合到硅芯片上。2023年，他们设法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，而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：“调制器与这种有源波导的集成是这里的关键突破。” Marpaung十年前与悉尼团队合作，现在领导自己的研究团队，该团队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的频谱分辨率时，他们将能够取代市场上体积笨重的电子射频芯片。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导航复杂射频(RF)环境中的无线电接收器。

Marpaung说，“硫族化物具有非常强的布里渊效应；这点非常好，但仍然存在一个问题，即是否可扩展……它仍然被视为实验室材料”。悉尼团队必须找到一种新方法，将5平方毫米封装的硫族化物波导安装到标准制造的硅芯片中，这并非易事。2017年，该团队想出了如何将硫族化物组合到硅输入/输出环上，但直到今年才有人用标准芯片来管理这种组合。

光子芯片是全球共同的努力

其他研究团队正在研究可能也提供类似性能的不同材料。例如，铌酸锂具有比硅更好的调制器特性，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领导的另一个团队去年展示了纯硅波导和芯片组合可以在6 GHz频段实现2.7 MHz滤波。这项研究没有集成调制器，但它表明了有一种可能更简单的制造路径，涉及更少材料。

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，研究人员在重新传输信息之前用它将信息存储在光脉冲中，这是一种避免将光转化为电能并再次返回的技巧。

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。

审核编辑 黄宇