2024-02-02 18:12 辽宁

光子电路是一项重要的新技术，这类精密的微芯片有可能大幅降低成本，提高电子设备的速度和效率，涵盖广泛的应用领域，包括汽车、通信、医疗保健、数据存储和人工智能计算。

光子电路使用光子来移动、存储和访问信息，其方式与传统电子电路使用电子的方式大致相同。如今，光子芯片已经在先进的光纤通信系统中使用，并正在开发新技术，包括用于自动驾驶汽车的光探测和测距（LiDAR），用于医疗设备的基于光的传感器;5G和6G通信网络，以及光学和量子计算。

鉴于光子电路的现有和未来用途广泛，能够制造用于学习、研究和工业应用的相关芯片的设备也很重要。然而，今天的纳米制造设施耗资数百万美元，远远超出了许多学院、大学和研究实验室的能力范围。

对于那些可以使用纳米制造设施的人来说，必须至少保留一天的时间用于制造这些微芯片的严格且耗时的光刻工艺。最重要的是，如果设计中出现错误，或者由于其他原因，芯片无法正常工作，则必须丢弃故障电路，调整设计并重新制造芯片。这通常会导致在洁净室中度过数天甚至数周。

现在，《科学进展》（Science Advances）上的一篇新论文描述了一种新方案，华盛顿大学领导的一个研究小组已经设计出一种方法，可以绕过昂贵的纳米制造设施，几乎可以在任何地方生产光子集成电路。

该团队开发了一种创新方法，在该方法中，这些电路可以被激光刻录机写入、擦除和修改成类似于可刻录CD和DVD的相变材料薄膜。这种新工艺允许光子集成电路的构建和重新配置，所需时间仅为纳米制造实验室的一小部分。

这个大学团队由威斯康星大学电气与计算机工程与物理教授Mo Li领导，他是该系的研究副主席，纳米工程系统研究所的成员，也是该论文的作者。

“光子学技术即将到来；因此，我们需要在这个领域培训或教育我们的学生。但是，对于学生来说，要学习并拥有光子电路的实践经验，目前，他们需要使用数百万美元的设施”，Mo Li说：“这项新技术解决了这个问题。使用我们的方法，以前必须在昂贵且难以进入的设施中制造的光子电路现在可以在实验室、教室甚至车库车间中打印和重新配置，该设备的成本很低，其大小与传统桌面激光打印机差不多。”

对学生、研究人员和行业的好处

学生并不是唯一从这种创造光子集成电路的新方法中受益的人。对于研究人员来说，这一进步将使原型设计和测试新想法的周转时间更短，然后再在纳米制造设施中预订宝贵的时间。

对于工业应用，这种生产光子集成电路的方法的一大优势是可重构性。例如，公司可能会使用这项技术在数据中心创建可重新配置的光连接，特别是在支持人工智能和机器学习的系统中，这将节省成本并提高生产效率。

Li的研究团队包括威斯康星大学ECE研究生Changming Wu，他是该论文的主要作者，并与Li一起提出了这种构建光子集成电路的新方法的想法。威斯康星大学ECE研究生邓浩琴也为这项工作做出了贡献。他们的工作是华盛顿大学六年研究的最新成果，其中包括光学计算的进步。这也是与马里兰大学的Ichiro Takeuchi教授和Carlos A. Ríos Ocampo教授及其学生进行富有成效的合作的延续。

“能够只用一个步骤编写一个完整的光子电路，而不需要复杂的制造过程，这真的很令人兴奋。事实上，我们可以在自己的实验室中对电路的任何部分进行任何修改，并重写和重做它，这真是太棒了”，Changming Wu说：“能够在几分钟内完成整个制造过程，而不是通常需要几天甚至一周的时间，这是一种巨大的进步。”

提高性能，构建商用设备

该团队开发的方法已被证明是有效的，但它仍然是一个早期概念。然而，Li已经提交了临时专利申请，他计划为光子集成电路制造一种桌面激光刻录机，这种打印机可以实惠的价格出售，并广泛分发给世界各地的研究实验室和教育机构。他还与行业领导者合作，促进这项新技术在可编程光子芯片和可重构光网络中的应用。

这种用于光子芯片的激光打印机将使用分期系统，该系统将以比传统桌面打印机更精确的方式移动基材。该团队将在构建原型时寻求优化其性能的方法。他们还将通过对材料科学和激光写入技术的进一步研究，致力于减少他们正在使用的相变材料中的光学损耗。这将使打印机能够产生比目前更详细、更复杂的电路。

Li说：“这项技术可以创建你想要的光子电路，也可以添加到现有的电子电路中。而且因为它是可重构和可重复使用的，它为学生、研究人员和行业开辟了许多可能性。对我来说，最令人兴奋的是，我们将有可能对光子学领域产生巨大影响，将这种新工具和技术传播到更广泛的研究界。”