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华盛顿大学:利用激光刻录机制造光子集成电路,革新光子芯片生产

发布:wyxfjh阅读:441时间:2024-2-12 11:00:09

       光子集成电路作为一种前沿技术,对于降低成本和提高电子设备的性能有显著作用。这些电路利用光子(光的基本单元)进行信息传输和处理,与传统的基于电子的电路在原理上相似,但提供了更高的速度和效率。目前,光子芯片已经被应用于高级光纤通信系统,并且正拓展到如自动驾驶汽车的光学探测、医疗设备的光学传感器、以及下一代通信网络等创新技术领域。

       尽管光子集成电路在多个领域内展现出广阔的应用前景,但是相关的纳米制造技术设施需要巨额投资,通常达到数百万美元,这对于许多学术机构而言是个不小的挑战。此外,制造光子微芯片的过程需要精细的光刻工艺,这不仅耗时,而且一旦芯片设计存在瑕疵或因其他原因导致失效,就必须废弃有缺陷的电路,重新设计并制造新的芯片,这一过程可能需要在洁净室内投入数天乃至数周的时间。

       近日,华盛顿大学领导的研究团队开发了一种创新技术,能够利用激光刻录机在相变材料薄膜上写入、擦除和修改光子集成电路,从而绕过了昂贵的纳米制造设施的需求,大幅降低光子电路制造的成本和时间,使得能在几乎任何地方生产光子集成电路(图1)。相关研究成果发表在Science Advances

图1 打印和重新配置光子集成电路(微芯片)的新方法示意图

图源:Haoquin Deng,华盛顿大学

       论文通讯作者、华盛顿大学电气与计算机工程系和物理系教授Mo Li指出:“光子技术的发展势不可挡。因此,对于未来的工程师和科学家而言,掌握光子技术并拥有实际操作经验变得尤为重要。但目前,学生们若想深入学习和实践光子电路,往往需要依赖价值数百万美元的设施。这项新技术为此提供了解决方案。借助我们的方法,原本需要在昂贵且专门的设施中完成的光子电路制作,现在可以在实验室、教室乃至家庭车库中通过一种快速、成本低廉的设备来实现,其大小与传统桌面激光打印机差不多。”

 

对研究人员和行业的好处:效率极大提升

       这项创新的光子集成电路制造技术不仅让学生受益匪浅,研究人员同样从中获益良多。这一技术的突破大幅缩短了原型设计与新概念测试的周期,使得在预约高成本的纳米制造设施前,研究人员能更迅速地迭代和完善他们的创意。

       在工业领域,这种制造光子集成电路的技术最大的优点在于其可重构性。例如企业可以利用这项技术在数据中心部署可重新配置的光纤连接,尤其是在需要支持人工智能和机器学习系统的场景中,这不仅能节约成本,还能提升生产效率。

       Mo Li教授的研究团队成员包括来自华盛顿大学电气与计算机工程学院的研究生Changming Wu,他是该研究论文的第一作者,与Mo Li教授共同提出了这种新颖的光子集成电路构建方法。同样来自华盛顿大学电气与计算机工程学院的研究生Haoqin Deng也对这项研究做出了重要贡献。论文共同作者还有马里兰大学的Ichiro Takeuchi教授和Carlos A. Ríos Ocampo教授及其学生。

图2 部分作者(从左至右:Mo Li, Changming Wu, Haoqin Deng)

摄影:Ryan Hoover,华盛顿大学

       Changming Wu表示:“能够通过一个简单的步骤来实现光子电路的完整构建,而无需依赖繁琐的生产流程,这实在是太令人振奋了。更令人兴奋的是,在我们自己的实验室里,我们可以随意对电路的任意部分进行修改、重写或者重做。这一切只需要几分钟的时间,而非传统流程中可能耗费的整天,或者甚至是几天到一周的时间。这种效率的提升,无疑为我们带来了巨大的便利。”

 

提高性能,构建商用设备

       该研究团队开展的工作已证明其方法的可行性,尽管这一概念尚处于初步阶段。Mo Li教授已经提交了一份临时专利申请,并且正在规划开发一款专门用于光子集成电路的桌面级激光刻录设备。这款设备将以低廉的价格出售,并将推广至全球的研究实验室和教育机构。此外,Mo Li教授还在与行业领袖合作,探索这项新技术在可编程光子芯片和可重构光网络领域的应用潜力。

       为了实现光子芯片的精确制作,这款激光打印机将采用高级分阶系统,该系统能够以远超传统桌面打印机的精度移动基底材料。在原型开发过程中,团队将致力于寻找优化设备性能的方法。同时,他们也将通过深入研究材料科学和激光书写技术,努力降低所使用相变材料的光学损耗,从而使得打印机能制造出更为精细和复杂的电路。

       Mo Li教授及其研究团队对这项技术的未来前景充满了激情和期待,他表示:“这项技术不仅能够构建定制的光子电路,还能够与现有的电子电路集成。其可重构和可复用的特性,为学生、研究人员乃至整个行业开辟了许多可能性。于我而言,这将使我们有望在光子学领域产生深远的影响,并将这些创新工具和技术推广至更广泛的科研领域。”

       为了集中展示光子集成芯片领域的研究进展,促进学术交流和光子集成芯片的产业化和商业化进程,《激光与光电子学进展》决定在2024年第17期(9月)推出“光子集成芯片”专题,现公开征集相关领域的高水平研究论文及综述。

 

征稿范围:

1.光子集成芯片设计:(1) 正向设计;(2) 光子逆向设计;(3) 基于新材料或新物理现象的新功能器件;

2. 光子集成芯片制备:(1) 材料生长/沉积;(2) 光刻技术;(3) 刻蚀技术;

3. 光子集成芯片封装:(1) 芯片耦合;(2) 光子引线键合;(3) 高速器件封装;

4. 光子集成芯片应用:(1) 光通信;(2) 光计算 ;(3) 光传感;(4) 光显示;(5) 光存储。

截稿日期:2024年6月30日

投稿方式及格式:

通过《激光与光电子学进展》官方网站的投稿系统进入“作者中心”,按系统要求填写信息,上传稿件(留言标明“光子集成芯片”专题投稿)。投稿模板及要求请参见作者中心首页。

原文链接:

https://www.ece.uw.edu/spotlight/a-laser-printer-for-photonic-chips/

 

科学编辑 | 佚名