光子芯片，又進(jìn)一步

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，使他們能夠精確檢測寬頻帶射頻 (RF) 頻譜的信號(hào)。這項(xiàng)工作使光子芯片距離取代光纖網(wǎng)絡(luò)中體積更大、更復(fù)雜的電子射頻芯片的日子又近了一步。

悉尼團(tuán)隊(duì)利用受激布里淵散射（Brillouin scattering）技術(shù)，該技術(shù)涉及在某些絕緣體（例如光纖）中將電場轉(zhuǎn)換為壓力波。2011 年，研究人員報(bào)告稱，布里淵散射具有高分辨率濾波的潛力，并開發(fā)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，他們成功地將光子濾波器和調(diào)制器結(jié)合在同一類型的芯片上。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，這種組合使實(shí)驗(yàn)芯片的光譜分辨率達(dá)到 37 兆赫茲，并且?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)制器與有源波導(dǎo)的集成是這里的關(guān)鍵突破。」Marpaung 十年前與悉尼小組合作，現(xiàn)在領(lǐng)導(dǎo)自己的研究小組，該小組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 的光譜分辨率時(shí)，他們將能夠取代市場上體積較大的電子 RF 芯片。此類芯片的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們可以將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，以便通過光纖網(wǎng)絡(luò)直接傳輸。這場競賽的獲勝者將能夠進(jìn)入電信提供商和國防制造商的巨大市場，他們需要能夠可靠地在復(fù)雜的射頻 (RF) 環(huán)境中導(dǎo)航的無線電接收器。

光子芯片是全球共同努力

其他研究小組正在研究可能也提供類似性能的不同材料。例如，鈮酸鋰比硅具有更好的調(diào)制器特性，Marpaung 在仍在接受同行評(píng)審的工作中表明，鈮酸鋰可以通過布里淵散射提供類似的高分辨率濾波。耶魯大學(xué) Peter Rakich 領(lǐng)導(dǎo)的另一個(gè)研究小組去年表明，純硅波導(dǎo)和芯片組合可以在 6 GHz 頻譜帶上實(shí)現(xiàn) 2.7 MHz 濾波。這項(xiàng)工作沒有集成調(diào)制器，但它暗示了一種可能更簡單、涉及更少材料的制造路徑。

也就是說，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，但近幾十年來又重新引起了人們的興趣。過去，研究人員使用它在重新傳輸之前將信息存儲(chǔ)在光脈沖中，這種技巧可以避免將光轉(zhuǎn)換為電并再次轉(zhuǎn)換回來的需要。

當(dāng)然，集成光子芯片的夢想有許多活動(dòng)部件。悉尼研究人員寫道，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)?！溉绻憬鉀Q了集成問題、性能問題和實(shí)用性，你就會(huì)獲得市場認(rèn)可，」Marpaung 說。

集成光子電路尺寸縮小

2017 年，哥倫比亞大學(xué)的研究人員制造出了集成光子電路。研究人員認(rèn)為，他們的發(fā)現(xiàn)相當(dāng)于用半導(dǎo)體晶體管取代計(jì)算機(jī)中的真空管，這有可能徹底改變光通信和光信號(hào)處理。

研究界一直在熱衷于構(gòu)建集成光子電路，這種電路可以縮小到計(jì)算機(jī)芯片中使用的集成電路 (IC) 的尺寸。但存在一個(gè)大問題：當(dāng)您使用光的波長而不是電子來傳輸信息時(shí)，您根本無法將波長壓縮到足以在這些較小的芯片級(jí)尺寸中工作。

在《自然納米技術(shù)》雜志上描述的研究中，哥倫比亞大學(xué)研究人員制造的集成光子電路充當(dāng)波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，可以將一種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N波導(dǎo)模式。這種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器是「模分復(fù)用」技術(shù)的關(guān)鍵推動(dòng)者，該技術(shù)使用相同顏色的光但幾種不同的波導(dǎo)模式同時(shí)傳輸獨(dú)立的信息通道，全部通過同一波導(dǎo)。這是一種增加片上光通信通道容量的策略。

「其效果就像是，喬治華盛頓大橋突然能夠處理數(shù)倍的交通量，或者一個(gè)足球場可以神奇地容納多支球隊(duì)同時(shí)比賽而不受干擾，」助理教授 Yu 南方解釋道哥倫比亞大學(xué)教授、該研究的合著者告訴 IEEE Spectrum。

這些成就的關(guān)鍵是將超表面結(jié)構(gòu)集成到光波導(dǎo)上，以縮小器件的占地面積并拓寬工作帶寬。超表面是非常薄的二維結(jié)構(gòu)平面。由于它們的結(jié)構(gòu)，它們以不尋常的方式操縱光——最值得注意的是它們縮短了光的波長。

哥倫比亞大學(xué)的研究人員制造了由具有亞波長間距的納米天線陣列組成的超表面結(jié)構(gòu)。這些納米天線本質(zhì)上是從波導(dǎo)芯內(nèi)部拉出光，改變光的特性并將光釋放回波導(dǎo)中。如果納米天線排列得足夠密集，它們可以在不超過波長兩倍的傳播距離內(nèi)轉(zhuǎn)換波導(dǎo)模式。

納米天線可以由支持等離子體共振的金屬材料或支持所謂的米氏共振的介電材料制成。這些共振是存在于天線附近的振蕩、自重復(fù)波。

「這些天線在亞波長間隔內(nèi)產(chǎn)生的強(qiáng)光散射可以在所有設(shè)備配置中提供最有效的導(dǎo)波控制，這是實(shí)現(xiàn)小型設(shè)備占地面積的關(guān)鍵，」Yu 說。「此外，納米天線形成『相控陣』，能夠?qū)崿F(xiàn)光功率從入射波導(dǎo)模式到輸出波導(dǎo)模式的單向傳輸，這使我們能夠在不超過兩倍的距離上實(shí)現(xiàn)完整的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換。自由空間波長?！筜u 表示，與當(dāng)前設(shè)計(jì)相比，這有效地將實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換的器件尺寸減小了 10 至 100 倍。