利用可编程光子新材料，将芯片良率提升超4倍

（文章来源：IEEE）

最近荷兰埃因霍芬理工大学（Eindhoven University of Technolog）的研究人员发现了一种可转换的光学材料——氢化非晶硅，能够加快光子集成电路的研发和生产。这项研究项目的负责人Oded Raz表示，这是第一个可编程的光子电路，研发人员可以对光子材料本身进行编程和重新设置，并且它不需要任何电力还保持自身的编程状态。

在研究人员们看来，基于新型可编程材料的可重编程光子电路，将在一定程度上帮助工程师加速开发光子器件。电子集成电路（IC）是如今许多新技术发展和成熟的关键之一。但还有一种叫光子集成电路（PIC）的半导体技术，它是一种基于晶态半导体晶圆，集成有源和无源光子电路，以及单个微芯片上的电子元件，具有低能耗和高运行速度等性能优势。

但不足的是，目前PIC的制造方法存在大量的可变性，因此许多生产出来的光子器件与实际所需的规格有着轻微偏差，从而也限制了产量。而解决该问题的一个潜在方法，是开发可重新配置或可编程的PIC，以帮助补偿制造过程中产生的任何细微变化。据了解，可重构PIC的关键组成部分是一种光学材料，这种材料的折射率可以在两种或以上的状态之间调整。

然而，长期以来研究人员考察的许多可切换的光学材料，需要持续加热，这意味着它们需要一个恒定的电源和复杂系统来控制这些热量，并且切换时，其他材料的信号损耗会进一步降低性能。埃因霍芬理工大学的研究人员表示，他们发现的可转换光学材料，能够避免制造过程中可变性，以及切换性能损耗等不足。

具体地说，这种材料名叫氢化非晶硅，目前主要用于薄膜硅太阳能电池。研究人员在一个被称为“Staebler-Wronski效应”的研究中发现，光或热会改变氢化非晶硅的光学和电学性质，但当它在黑暗中缓慢冷却后，可以恢复一部分光学性质。其实这一效应在薄膜硅太阳能电池中是不可取的，但研究人员们推断，可重构PIC也许可以利用这个特点来弥补切换过程中的性能损耗。

为了验证推断，研究人员们将一层薄薄的氢化非晶硅，在近红外激光中浸泡了100小时以上，然后将它放置在黑暗中缓慢冷却4个小时。在这一过程中他们发现，近红外激光可以使材料的折射率增加0.3%，同时冷却可以将折射率降低0.3%，实现逆转。同时，这一变化产生的原因是由于光和热导致的材料体积膨胀。

紧接着，研究人员利用氢化非晶硅的微观环（microscopic rings），开发了可重新配置的光学开关。他们发现，光学开关能够可逆地改变这些器件的折射率，而不增加光学损耗。此外，在氢化非晶硅独立膜的实验中，研究人员还发现这些程序化状态具有长期稳定性，每种状态可至少持续一个月。

Oded Raz谈到，目前行业中有人认为0.3%的折射率变化非常小，光靠这一点无法解决光子器件的所有问题。但他指出，上世纪80年代有很多关于如何逆转Staebler-Wronski效应的研究。“我们可以逆向利用所有关于如何减小效应的见解，进一步放大这些效应，并作出更快的响应。”Oded Raz说。

此外，未来像非晶硅锗或非晶硅碳等类似的材料，可能会有研究表明它们比氢化非晶硅更擅长进行能量转换。在Oded Raz看来，如果未来的研究能够增强转换效应的强度，那么PIC的产量也将得到显著提高。他认为，以前的基本光子元件良率可能在10%到20%之间，而可编程光学材料可将良率提高到50%至80%。

与此同时，产量的提高可反过来减少光子器件的生产制作时间。目前PIC从概念到制造这一过程，可能需要6至9个月的时间，并且由于制造过程存在的可变性，最终产品有可能无法达到研究人员期望的效果。“这导致研究人员不不得不重复进行实验和制造。”Oded Raz谈到，有了可编程材料，就能大大缩短PIC原型制作的时间。

此外，Oded Raz还提到，在理想情况下，可编程光学材料可以生产FPGA的光子版本，这可能有助于将原型开发时间从一年缩短到大约10小时或两周。
      （责任编辑：fqj）