光子集成電路是下一個(gè)重要的技術(shù)浪潮。這些精密的微芯片有可能大幅降低成本，提高電子設(shè)備在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域（包括汽車技術(shù)、通信、醫(yī)療保健、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和人工智能計(jì)算）中的速度和效率。

光子電路使用光子（光的基本粒子）來移動(dòng)、存儲(chǔ)和訪問信息，這與傳統(tǒng)電子電路使用電子來達(dá)到這一目的的方式基本相同。光子芯片目前已經(jīng)在先進(jìn)的光纖通信系統(tǒng)中使用，并且正在開發(fā)用于在廣泛的近期技術(shù)中實(shí)施，包括用于自動(dòng)駕駛汽車的光探測和測距或激光雷達(dá)、用于醫(yī)療設(shè)備的基于光的傳感器、5G和6G通信網(wǎng)絡(luò)、以及光學(xué)和量子計(jì)算。

鑒于光子集成電路的現(xiàn)有和未來用途廣泛，獲得可以制造芯片設(shè)計(jì)的設(shè)備以用于學(xué)習(xí)、研究和工業(yè)應(yīng)用也很重要。然而，今天的納米制造設(shè)施耗資數(shù)百萬美元建造，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了許多學(xué)院、大學(xué)和研究實(shí)驗(yàn)室的能力范圍。

對(duì)于那些能夠使用納米制造設(shè)施的人來說，至少必須預(yù)留一天的時(shí)間用于制造這些微芯片的嚴(yán)格而耗時(shí)的光刻工藝。此外，如果設(shè)計(jì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，或者芯片因其他原因無法正常工作，則必須丟棄有故障的電路，調(diào)整設(shè)計(jì)并制造新的芯片。這通常會(huì)導(dǎo)致在潔凈室中花費(fèi)數(shù)天甚至數(shù)周的時(shí)間。

但正如《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）的一篇新論文所述，華盛頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種方法，可以繞過昂貴的納米制造設(shè)施，在幾乎任何地方生產(chǎn)光子集成電路。

圖片:a-laser-printer-for-ph.jpg

使用一種快速，低成本的設(shè)備來打印和重新配置光子集成電路（微芯片），其大小與傳統(tǒng)桌面激光打印機(jī)差不多。

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種創(chuàng)新方法，通過激光寫入器將這些電路寫入、擦除和修改成相變材料薄膜，類似于用于可記錄CD和DVD的材料。這種新工藝允許在納米制造實(shí)驗(yàn)室花費(fèi)的時(shí)間的一小部分內(nèi)構(gòu)建和重新配置光子集成電路。

這支多所大學(xué)組成的團(tuán)隊(duì)由華盛頓大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程和物理學(xué)教授Mo Li領(lǐng)導(dǎo)，他是該系的研究副主席，納米工程系統(tǒng)研究所的成員，也是這篇論文的資深作者。

Li表示：“光子技術(shù)即將到來，因此，我們需要在這個(gè)領(lǐng)域培訓(xùn)或教育我們的學(xué)生。但是，對(duì)于學(xué)生來說，學(xué)習(xí)和實(shí)踐光子電路，目前，他們需要使用價(jià)值數(shù)百萬美元的設(shè)備。這項(xiàng)新技術(shù)解決了這個(gè)問題。使用我們的方法，以前必須在昂貴且難以進(jìn)入的設(shè)施中制造的光子電路現(xiàn)在可以在實(shí)驗(yàn)室、教室甚至車庫車間通過快速、低成本的設(shè)備進(jìn)行打印和重新配置，該設(shè)備的大小與傳統(tǒng)的臺(tái)式激光打印機(jī)相似。”

對(duì)學(xué)生、研究人員和行業(yè)的益處

學(xué)生并不是唯一受益于這種制造光子集成電路新方法的人。對(duì)于研究人員來說，這一進(jìn)步將使原型制作和測試新想法的周轉(zhuǎn)時(shí)間大大加快，從而節(jié)省在納米制造設(shè)施中預(yù)訂寶貴時(shí)間。

對(duì)于工業(yè)應(yīng)用而言，這種生產(chǎn)光子集成電路的方法的一大優(yōu)勢是可重構(gòu)性。例如，公司可能使用這種技術(shù)在數(shù)據(jù)中心創(chuàng)建可重構(gòu)的光學(xué)連接，特別是在支持人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的系統(tǒng)中，這將導(dǎo)致成本節(jié)約和生產(chǎn)效率的提高。

Li的研究團(tuán)隊(duì)包括華盛頓大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程研究生Changming Wu，他是這篇論文的第一作者，并與Li一起提出了這種構(gòu)建光子集成電路的新方法。華盛頓大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程研究生Haoqin Deng也為此做出了貢獻(xiàn)。他們的研究是華盛頓大學(xué)六年研究的最新成果，其中包括光學(xué)計(jì)算的進(jìn)步。這也是與馬里蘭大學(xué)Ichiro Takeuchi教授、Carlos A. Ríos Ocampo教授及其學(xué)生富有成效合作的延續(xù)。

Wu說：“能夠僅用一步就寫出一個(gè)完整的光子電路，而不需要復(fù)雜的制造過程，這真的很令人興奮。而且，我們可以在自己的實(shí)驗(yàn)室中對(duì)電路的任何部分進(jìn)行任何修改，并重新編寫和重做，這一事實(shí)令人驚嘆�！薄斑@是幾分鐘與一整天過程的問題。能夠在幾分鐘內(nèi)完成整個(gè)制造過程，而不是通常需要幾天甚至一周的時(shí)間，這讓人松了一口氣。”

提高性能，構(gòu)建商用設(shè)備

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的方法已被證明是有效的，但它仍然是一個(gè)早期概念。然而，Li已經(jīng)提交了臨時(shí)專利申請(qǐng)，他正在計(jì)劃為光子集成電路建造一個(gè)臺(tái)式激光打印機(jī)。這種打印機(jī)可以以負(fù)擔(dān)得起的價(jià)格出售，并廣泛分發(fā)給世界各地的研究實(shí)驗(yàn)室和教育機(jī)構(gòu)。他還與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者合作，以促進(jìn)這項(xiàng)新技術(shù)在可編程光子芯片和可重構(gòu)光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的可能應(yīng)用。

這種用于光子芯片的激光打印機(jī)將使用一種分級(jí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將以比傳統(tǒng)臺(tái)式打印機(jī)更精確的方式移動(dòng)基板。該團(tuán)隊(duì)在構(gòu)建原型時(shí)將尋求優(yōu)化其性能的方法。他們還將通過進(jìn)一步研究材料科學(xué)和激光寫入技術(shù)，致力于減少他們使用的相變材料中的光學(xué)損失。這將使打印機(jī)能夠生產(chǎn)比目前更詳細(xì)和復(fù)雜的電路。

Li表示，他和他的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)未來感到非常興奮。

Li教授說：“這項(xiàng)技術(shù)可以創(chuàng)造你想要的光子電路，但它也可以添加到現(xiàn)有的電子電路中。而且由于它是可重新配置和可重復(fù)使用的，它為學(xué)生、研究人員和行業(yè)開辟了許多可能性。最讓我興奮的是，我們將有可能在向更廣泛的研究界傳播這種新工具和技術(shù)方面對(duì)光子學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響�！�

相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2024-02-team-laser-printer-photonic-chips.html