未来光年：塑造超快科技未来的先进芯片

[导读]莫纳什大学、皇家墨尔本理工大学和阿德莱德大学领导的研究开发了一种精确的方法来控制指甲大小的光子集成电路上的光电路。

随着网络升级压力的增加和绿色减排呼声的日益增强，运营商不仅需要以较低的成本实现网络的升级，更需要付出更少的能耗代价。与电子集成电路技术类似，光子集成电路技术的逐渐成熟必将会引起光信息技术领域的又一次革命。PIC (Photonic Integrated Circuit：光子集成电路)的概念与电子集成电路的概念类似，只不过电子集成电路集成的是晶体管、电容器、电阻器等电子器件，而PIC集成的是各种不同的光学器件或光电器件，比如激光器、电光调制器、光电探测器、光衰减器、光复用/解复用器以及光放大器等。

莫纳什大学、皇家墨尔本理工大学和阿德莱德大学领导的研究开发了一种精确的方法来控制指甲大小的光子集成电路上的光电路。

发表在Optica杂志上的这项发展建立在最近创造了世界上第一个自校准光子芯片的同一个团队的工作基础上。

光子学，或使用光粒子来存储和传输信息，是一个新兴领域，支持我们创造更快、更好、更高效和更可持续的技术的需要。

可编程光子集成电路 (PIC) 在单个芯片内提供多种信号处理功能，并为从光通信到人工智能的各种应用提供有前途的解决方案。

无论是下载电影还是让卫星保持在轨道上，光子学正在从根本上改变我们的生活方式，将大型设备的处理能力彻底改变到人类指甲盖大小的芯片上。

今年早些时候，莫纳什大学、皇家墨尔本理工大学和阿德莱德大学的研究人员开发了一种先进的光子电路，可以改变光子技术的速度和规模。然而，随着 PIC 的规模和复杂性的增长，它们的表征和校准变得越来越具有挑战性。

莫纳什大学研究员 Mike Xu 教授说：“我们在芯片上添加了一条通用参考路径，可以稳定准确地测量‘主力’路径的长度(相位、时间延迟)和损耗。”

“通过发明一种新方法，即分数延迟方法，我们已经能够从不需要的信息中分离出想要的信息，从而实现更精确的应用。”

以前，芯片是通过连接到复杂且昂贵的外部设备(称为矢量网络分析仪)来测量/校准的;但是，与它的连接会引入由振动和温度变化引起的相位误差。通过将参考放在实际芯片上，测量不受这些相位误差的影响。

“在我们早期的工作中，我们使用了‘Kramers Kronig’方法来消除所需测量中不需要的误差，但分数法需要的光功率要小得多，才能达到给定的精度，”该系的 ARC 获奖者 Arthur Lowery 教授说。莫纳什大学电气和计算机系统工程。

“这意味着我们可以获得对芯片状态的可靠测量，因此能够为所需的应用程序准确地编程，例如光学计算机中的模式识别，或从光通信网络中榨取额外的容量。”

这项工作是对 2020 年开始的一项研究的补充，该研究开发了一种新型光学微梳芯片，该芯片每秒能够传输 30 太比特，是整个国家宽带网络记录数据的三倍。

在下一发展阶段，在新宣布的 ARC 光学微梳和突破科学卓越中心 (COMBS) 内，该研究团队将探索光子芯片如何使用多种波长来实现超快信息处理和机器智能。

“光子集成电路的复杂性正在迅速增加，需要突破才能校准和控制它们。我们开发的技术克服了这一挑战，确保电路可以稳健地用于模式识别等应用，”博士说。来自阿德莱德大学的安迪博斯。

无论在技术还是在市场上，PIC近几年都取得了突破性的进展。但是与电子集成电路相比，无论从集成度、性能还是成本，都还存在巨大的差距。可以预测，PIC将来的发展方向将会主要集中在以下几个方面。

(1) 继续采用磷化铟材料作为衬底开展大规模PIC技术研究虽然采用磷化铟作为衬底也有其自身的缺点，比如磷化铟是稀有材料，PIC产品成本较高，同时，采用磷化铟作为基底材料不便于与现有硅基材料器件的大规模集成，不能实现将来光子器件与电子器件的大规模集成。各公司正在努力使得磷化铟成为唯一能够实现商用的大规模PIC的材料。可以预见的情形来看，硅基光子学在未来的几年内较难取得突破性进展。因此，继续采用磷化铟材料作为衬底进行大规模PIC开发在商业上将是比较明智的选择。从技术角度而言，采用磷化铟作为衬底材料也面临着很多技术难题，如何提高集成度、提高芯片性能以及如何进一步简化工艺、降低成本等都是需要继续研究的重点。

(2)研究硅基大规模PIC硅基材料在电子集成电路中应用广泛，电子集成电路产业成熟的规模化生产工艺和低廉的成本对PIC来说都是巨大的诱惑。硅基电子集成电路不仅取得了商业上的巨大成功，更是深刻地改变了人类的生活方式。从PIC技术诞生至今，人们都一直在努力通过电子集成电路成熟的技术和工艺实现PIC。但是硅基材料的发光效率很低，不能探测到1310nm和1550nm的光，同时受到材料本身的限制，不能够实现电光调制，这些都大大限制了硅基PIC技术的发展。硅基PIC研究方向主要集中在通过混合集成的方式实现硅基有源光器件，同时，研究如何利用现有成熟的CMOS工艺实现PIC。Intel、贝尔实验室以及Luxtera等公司和研究机构都在进行此方面的研究，并取得了一定的研究进展。