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將數(shù)十億個(gè)電子設(shè)備集成到幾平方英寸大小的計(jì)算機(jī)芯片，推動(dòng)了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，并改變了世界。科學(xué)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST) 的科學(xué)家及其合作者取得了一項(xiàng)重大進(jìn)展：他們開創(chuàng)性地開發(fā)出一種制造光集成電路的方法，即在硅片上沉積復(fù)雜的特殊材料圖案。這些所謂的光子芯片利用激光器、波導(dǎo)、濾波器和開關(guān)等光學(xué)器件來傳輸光信號并處理信息。這項(xiàng)新進(jìn)展有望極大地推動(dòng)人工智能、量子計(jì)算機(jī)和光原子鐘等新興技術(shù)的發(fā)展。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）物理學(xué)家斯科特·帕普表示，制造像電子電路一樣強(qiáng)大且無處不在的光電路是當(dāng)今的技術(shù)前沿之一。帕普的研究團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究，相關(guān)成果已于本周發(fā)表在 《自然》雜志上。“我們正在學(xué)習(xí)如何制造具有多種功能的復(fù)雜電路，這些電路的應(yīng)用領(lǐng)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(yuǎn)比電子快。

激光對于控制強(qiáng)大的新興量子技術(shù)（如光原子鐘和量子計(jì)算機(jī)）也至關(guān)重要。

但集成光子學(xué)要真正蓬勃發(fā)展，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。其中之一便是激光器。高質(zhì)量、緊湊且高效的激光器目前僅能產(chǎn)生少數(shù)幾種波長（或顏色）的光。例如，半導(dǎo)體激光器非常擅長產(chǎn)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(xué)原子鐘和量子計(jì)算機(jī)等新興技術(shù)也需要多種其他顏色的激光。然而，產(chǎn)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(shí)際上限制了這些量子技術(shù)的應(yīng)用，使其僅限于少數(shù)專用實(shí)驗(yàn)室。

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

NIST 的新型光子芯片有點(diǎn)像千層蛋糕。NIST 的物理學(xué)家帕普和格蘭特·布羅德尼克及其同事以一塊標(biāo)準(zhǔn)的硅晶片為基礎(chǔ)，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?nèi)肷涔獾念伾?/p>

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(zhuǎn)換。科學(xué)家們還創(chuàng)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(guān)光——這對于數(shù)據(jù)處理和高速路由至關(guān)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(xiàn)。鉭鐵礦能夠以神奇的方式轉(zhuǎn)換光，它能吸收單一顏色的激光，并發(fā)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(fā)無需加熱即可用鉭鐵礦制造電路的技術(shù) ，使得這種材料可以沉積到其他材料上而不會(huì)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?qū)g金屬的光操控特性與鈮酸鋰的可控性相結(jié)合。布羅德尼克表示，這項(xiàng)新技術(shù)“實(shí)現(xiàn)了無縫集成”。“真正的優(yōu)勢在于，鉭金屬可以添加到現(xiàn)有的電路中。”

最終，研究人員成功地將大約50個(gè)指甲蓋大小的芯片（每個(gè)芯片包含1萬個(gè)光子電路，每個(gè)電路輸出一種獨(dú)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(shè)計(jì)電路就能創(chuàng)造出所有這些不同的顏色，”帕普說道。

量子技術(shù)，例如量子鐘和量子計(jì)算機(jī)，可能是集成光子學(xué)的最大受益者之一。這些設(shè)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(xué)家都需要定制與其內(nèi)部量子能級相匹配的激光器。例如，常用于量子計(jì)算機(jī)和量子鐘的銣原子對波長為780納米的紅光有響應(yīng)。另一種常用的原子——鍶原子則“看到”波長為461納米的藍(lán)光。用其他顏色的光照射這些原子，則不會(huì)發(fā)生任何反應(yīng)。

產(chǎn)生這些定制顏色所需的笨重、昂貴且復(fù)雜的激光器一直是量子計(jì)算機(jī)和光鐘走出實(shí)驗(yàn)室、走向?qū)嶋H應(yīng)用的主要障礙，而它們在實(shí)際應(yīng)用中本可以產(chǎn)生巨大的影響。例如，廉價(jià)、低功耗、便攜式光鐘可以幫助預(yù)測火山爆發(fā)和地震，為定位和導(dǎo)航提供GPS的替代方案，并幫助科學(xué)家探索暗物質(zhì)的本質(zhì)等科學(xué)謎題。量子計(jì)算機(jī)則有望為研究藥物和材料的物理化學(xué)性質(zhì)提供新的途徑。

集成光子電路并非僅限于量子計(jì)算。帕普認(rèn)為，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)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(shù)改進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)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(zhǔn)備好量產(chǎn)，但其制造技術(shù)為未來的發(fā)展指明了方向。NIST的科學(xué)家們與位于科羅拉多州路易斯維爾的初創(chuàng)公司Octave Photonics的專家合作，該公司由NIST的前研究人員創(chuàng)立，目前正致力于擴(kuò)大這項(xiàng)技術(shù)的規(guī)模。

“當(dāng)你在實(shí)驗(yàn)室里看到芯片發(fā)光，吸收不可見光，并在一個(gè)集成芯片中產(chǎn)生所有這些可見光時(shí)——很明顯，它可能有很多潛在的應(yīng)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(zé)聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個(gè)人觀點(diǎn)，半導(dǎo)體行業(yè)觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達(dá)一種不同的觀點(diǎn)，不代表半導(dǎo)體行業(yè)觀察對該觀點(diǎn)贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導(dǎo)體行業(yè)觀察。

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