北京
研究人员开发出一种模块化方法，可将不同晶体材料放置或堆叠在现有光子电路上。
华盛顿大学的研究人员开发出一种新方法，使硅光子学能够高效执行控制和探测光所需的光学功能，克服了长期以来限制其能力的关键材料瓶颈。
位于圣路易斯的麦凯尔维工程学院团队将超薄单晶薄膜添加到现有硅光子电路上，不同的晶体材料提供特定功能，如控制、调制和探测光。
迄今为止，添加此类材料一直很困难，因为直接在硅上生长它们会带来兼容性和制造问题。新方法改为单独生长晶体，然后再将其转移到芯片上。
根据所需功能，这些材料可以并排放置或堆叠。该团队展示了光调制和控制，以及从紫外到近红外波段的探测能力，并将这种模块化方法描述为“光子乐高”。
晶体赋予新功能
该团队使用四种具有不同特性的材料来演示这一框架。单晶钛酸钡（BTO）提供电光调制，使电信号能够控制通过芯片传播的光。
对于非互易光控制，研究人员使用了钴铁氧体（CFO），它可以控制光在器件中的传播方式。他们还将砷化镓和氮化镓薄膜集成到氮化硅上，以探测从紫外到近红外的选定波长。
研究人员更进一步，将BTO和CFO纳米薄膜堆叠在硅微环谐振器上，使单个器件能够同时利用电效应和磁效应控制光。
“我们开发了一种制造工艺，将为我们设计这些新型光子芯片提供更多自由，”该校机械工程与材料科学助理教授裴相勋（Sang-Hoon Bae）说。
超越硅的极限
光子集成电路使用光来传输和处理信息，而不是仅依赖电信号。由于光子可以快速携带大量数据，同时减少与电子数据传输相关的一些功耗和热量需求，光子芯片正被探索用于更快的计算和通信。
随着数据中心和计算系统处理不断增长的工作负载，这项技术可能变得特别有用。研究人员正在开发用于高速光通信、光子计算和共封装光学器件的光子芯片，以及传感和量子技术领域的更专业应用。
硅光子学已经受益于半导体制造数十年的进步。挑战一直在于添加能够执行硅无法完成的功能的材料，同时仍能利用现有硅芯片技术。
“每种材料都有自己的优势，”华盛顿大学电气与系统工程教授杨兰（Lan Yang）说。“通过单独生长高质量晶体，然后将它们转移到现有光子电路上，我们获得了更多自由，可以根据所需功能选择材料。”
研究人员表示，这种模块化方法最终可能使芯片设计人员能够根据特定应用所需的功能，选择和组合不同的晶体薄膜。目前的工作展示了集成框架和若干光学功能，而非完整的商用光子处理器。
该研究发表在《自然》杂志上。
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