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重大突破:一种控制光相位的创新方法!

时间:2020-02-26 11:47 江苏激光产业创新联盟

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原标题:重大突破:一种控制光相位的创新方法!

现如今,由于硅在电信波长上的透明性、电光和热光调制的能力以及与现有半导体制造技术的兼容性,它已经成为首选的集成光子学平台。尽管硅纳米光子学在光数据通信、相控阵、激光雷达以及量子和神经电路领域取得了长足进步,但将光子大规模集成到这些系统中仍存在两个主要问题:对电子系统不断增长的光带宽及其高功耗的需求。

现有的硅体相位调制器可以改变光信号的相位,但这一过程以高的光损耗(电光调制)或高的电能消耗(热光调制)为代价。哥伦比亚大学团队,由尤金·希金斯电气工程教授和哥伦比亚大学的应用物理学教授米甲·利普森宣布,发现了一种使用二维材料控制光相位的新方法-原子级薄材料,仅0.8纳米,即头发丝的1/100,000,在不改变其振幅的情况下,功耗极低。

在2月24日发表在《自然光子学》杂志上的一项新研究中,研究人员证明,只需将薄材料放在无源硅波导的顶部,它们就可以像现有的硅相位调制器一样强烈地改变光的相位,但光损耗和功耗损耗低得多。

“由于与相位变化相关的高光学损耗,光学相干通信中的相位调制仍然是一个很大的挑战,”利普森表示:“现在我们发现了一种只能改变相位的材料,这为我们扩展光学技术的带宽提供了另一种途径。”

半导体二维材料,如过渡金属双卤族化合物(TMDs),其光学性质随着其激子共振峰(吸收峰)附近的自由载流子注入(掺杂)而发生显著变化。然而,在远离这些激子共振的电信波长处,掺杂对TMDs光学性质的影响知之甚少,因为在这些激子共振处,材料是透明的,因此可以在光子电路中利用。

哥伦比亚团队的成员包括哥伦比亚工程学院机械工程学教授James Hone和大学物理学教授Dimitri Basov,他们通过集成半导体单层的低损耗氮化硅光学腔和掺杂的单层使用离子液体来探究TMD的电光响应。他们观察到了掺杂引起的大相位变化,而光损耗在环形腔的传输响应中变化最小。他们表明,相对于单层TMD吸收变化,掺杂引起的相变约为125,这明显高于通常用于硅光子调制器(包括Si和Si上的III-V)的材料中观察到的相变,同时伴随的插入损耗可忽略不计。

“我们是第一批在这些薄单分子层中观察到强电折射变化的人。”论文的主要作者Ipshita Datta说,他是利普森的博士生。“我们利用低损耗氮化硅(SiN)-TMD复合波导平台实现了纯光相位调制,波导的光模式与单层相互作用。所以现在,只要简单地把这些单分子膜放在硅波导上,我们就可以改变相同数量级的相位,但降低了10000倍的电力损耗。这对于光子电路和低功率激光雷达的标度是非常鼓舞人心的。”

研究人员正在继续探索和更好地理解强电折射效应的潜在物理机制。目前正利用他们的低损耗和低功率相位调制器来取代传统的移相器,从而在大规模应用中减少电力消耗,如光学相控阵、神经和量子电路。

拓展资料:硅光子的技术进展及产业格局

硅光子技术利用成熟的硅制造工艺制作光电子元件,其低成本和大批量生产的优势吸引了许多光电领域的关注,尤其以光通信行业表现最为积极。因为数据中心的内部需要大量的短距光连接线路,这被认为是最适合当前硅光器件应用的场景。

硅光子学被广泛认为是进一步开发解决互联网上不断增长的流量所需的光学互连解决方案的关键技术。从第一条海底光缆到光纤到户部署再到数据中心,光已成为20多年来高速光通信的终极媒介。与铜线相比,在每个高速通道的低能耗下,光互连可以在长距离和短距离上低延迟地工作,从而形成高速的,端到端的网络,以及具有统一光切换的新架构网络。出于这个原因,光链路正在许多互联网网络层面上作为功能模块出现,包括服务器,交换机,网络存储,客户端等。

基于5G和数据中心的业务需求,近日,诺基亚公司宣布计划收购美国硅基光电子初创公司Elenion。Elenion的技术和独特的设计平台,服务能力可以帮助诺基亚应对5G,云计算,企业网络等快速发展带来的光连接需求。硅光技术的量产能力和经济性将为诺基亚开发新产品缩短时间,同时降低成本。

硅光子的一些技术进展

由于硅光子技术的巨大发展潜力,各国都投入了相当多资源开展研究和商业推广。在众多学术和商业机构的共同推动下,硅光子领域取得了相对快速的进步。

IBM 在 2011 年提出了一种硅光集成计划,如下图所示。到 2020 年后,可将处理器 IC 直接贴装在光子芯片上,将电路和光路都在同一层面传输。

然而,光路和电路始终有本质的不同,即使都是以硅衬底蚀刻得到,但在结构上差别非常大,因此出于现实的考虑,目前的方案以电路和光路分层混合集成为主要方向。如 Intel 的集成计划。

Intel 将硅光技术分成了如上图所示的六个部分,从光源发射,到最后与 IC 的集成,都是当前硅光领域必须解决的问题。

如何采用多层结构混合电路层和光路层呢?这里就要用到光学通孔的技术了。在电路板上,通孔是非常常见的层间导电线路,因此光学通孔就是把光线也通过通孔传输到其它层。

如上图所示,光电子元件贴装在最上层,通过通孔将光线传导到下层的光波导中。下图是实物照片。

如果我们要进一步提高集成度,将传感器,存储器等多种功能也纳入芯片层面,就要采用多层通孔结构。

尽管这种高度集成的硅光子芯片难度非常大,现在还只停留在设计阶段,但是借助 3D 封装的方法,我们能够将各自不同材料的芯片混合集成起来,也是当前技术水平下最优的选择。

对于硅光器件来说,除了本身的设计之外,还有一个难题是与光纤的耦合。因为硅的折射率与光纤材料二氧化硅相差极大,直接耦合会造成严重的损耗。因此,设计和制造适当的引导面就是封装的一项关键技术。

上图所示是一个 SOI 基底的硅光子芯片紧紧贴在光纤阵列端面的结构。这是一种比较简单的耦合方法。下图则是较为复杂的做法。

在这个例子当中,光纤阵列端面被抛光到一定角度,然后直接对准硅光芯片的受光面将光线投射进去。

UPVLC提出了一种 3D 耦合方式,可以集成更复杂的元件。

对于硅光技术来说,提高集成度永远是业界追求的目标。尽管我们在研究机构发布的成果里能看到很多进步,但是受限于产业水平,真正商用化的硅光技术产品仍然是比较简单的光学元件,而在性能和价格上也尚未具备颠覆性的竞争力。

硅光子产业现状

Intel, Luxtera, Acacia 等公司的硅光子产品已经开始批量供货,尤其 Intel 是行业的领军者,其采用自己开发的III-V族有源器件与硅波导混合集成技术的100Gbps PSM4 QSFP 收发器和 100G CWDM4 收发器都已面市。

不让 Intel 专美,网络设备制造商 Mellanox 也展开了行动,以8,200万美元收购 Kotura 后,立即将后者的硅光调制器和探测器芯片安装在自己的模块当中。

另一家主要的硅光器件生产商 luxtera 也推出了 QSFP 有源光缆产品。

除了业内知名的大企业外,众多初创公司的诞生更是给硅光行业带来了大量的创新。

美国创业公司 Aurrion 开发了与磷化铟异质结混合集成的硅光子平台,已被著名网络设备商 Juniper 收购。

来自德国的初创公司Sicoya开发了全集成硅光收发器芯片,在 Micro Photonics 会议和博览会上赢得了欧洲光子学创业挑战赛。

从麻省理工大学派生的创业公司 Lightmatter 将推出全球首款用于 AI 的硅光子处理器,从而将硅光技术用于高速计算当中。

考察这些初创公司我们会发现,他们都有很强的技术背景,特别是大量诞生于大学和研究机构之中。这大概是因为硅光技术难度大,研究投入多,只有先借助学校的资源获得成果后,才能走向商业化。

国内的硅光技术也处于热潮之中,今年上海市已将硅光列为市级科技重大专项,由张江实验室牵头,高校,科研院所和企业共同参与,打造从设计,流片到封装的完整工艺线。产业界对硅光也持积极的态度,如华为收购了多家国外硅光创业公司,海信和光迅也都在加紧研发硅光器件。

但是总体而言,就像其它类型的芯片一样,中国仍然与国外先进水平差距巨大。特别是在硅光芯片的开发和制作上,基本只停留在样品阶段,除了应付一些科研项目外,还很难商用化。一些企业虽然也在研发硅光产品,但主要还是集中在封装技术上,内部的核心芯片仍依赖外国的供应。这也是国内的老问题了,因为硅光芯片也是在现有的 CMOS 工艺平台上制作,而中国本身就在半导体芯片工艺上落后,自然也会连带拖累硅光的技术发展。对于企业来说,芯片研发的投入太大,从规避风险的角度考虑,也只能先集中资源做封装,以求尽快出产品获得利润。

硅光产业链大致与半导体行业类似,上图描述了硅光产业从设计,流片,封测,到应用层面各个环节的商业机构分布。

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