光子学重要突破：首次实现可见光到近红外波长的全光子集成

光子盒研究院出品

光子学技术使用光而不是电：它速度快、用途广，有望成为人类技术的下一个重大进步。不过，光子学研究需要昂贵、复杂的设备：例如，精密激光器和定制电路。为了实现全部潜力，该技术必须变得更小、更便宜、更容易生产。研究人员已经在这些方面取得了进展，但仍然面临着让他们的电路在较短波长的光下工作的挑战。

来自Nexus Photonics公司、加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)和加州理工学院的团队开发了一种技术，使光子芯片能够在可见光到近红外光谱中工作，这一发现有望使这些组件更小、更强大；该技术还利用了电子制造中常见的方法，使其易于廉价地大规模生产。

该成果以《将全集成光子学的光谱扩展到亚微米波长》为题[1]，发表在《自然》杂志上。

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利用电子电路的制造技术制造光子电路

激光在光子学芯片的表面发光。(图片: Matt Perko)

“这是一种突破，可以开辟以前没有人想到的可能性。”共同作者、加州大学圣巴巴拉分校的博士生Ted Morin说，该技术将把高性能光子学带入了新的市场和应用，如增强和虚拟现实，医疗保健和可见光和近红外波长的原子钟。更重要的是，大规模生产将削减激光器和光子电路的价格。

在过去的半个世纪里，社会的进步是随着电子产品的进步而取得的，它们变得越来越小，越来越强大。Morin说：“人类在制造更小、更快、更可靠的电子电路方面共同完成了一项惊人的工作。我们正在想办法利用电子电路的制造技术来制造光子电路。”

光信息和能量通过光子电路中的波导传输，就像电子电路中的电线一样。实现小型化的一个巨大障碍是将激光器与光子电路本身连接起来，但是把它插在每条通路上根本不现实。Morin说[2]：“想象一下，有人用手把电线插到你的计算机处理器的每几个晶体管上。”

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面临问题：光被硅波导吸收

这个完全加工过的4英寸晶圆包含了数千个器件。

2005年，加州大学圣巴巴拉分校的研究人员在John Bowers教授的带领下，很好地解决了硅电路的“激光连接”问题：他们克服了这一障碍，将激光材料直接粘合在硅上面，并将光弯曲到波导中。此后，这项技术及其变化被多个工业和研究机构开发，并由英特尔公司以每年数百万美元的规模进行商业化。

不幸的是，这些解决方案有一个问题。它们只对波长超过1100纳米的光起作用，也就是在红外线的深处。每个半导体都有一个所谓的“带隙能量”，比这个能量更高的光子（即更小的波长）会被材料吸收。硅的带隙约为1100纳米。Nexus Photonics研究主任Minh Tran说：“因此，任何比这更短的东西都不能用于目前的技术。可见光的范围是380至750纳米，这意味着紫外线、可见光甚至一些红外线都被硅波导吸收。”

因此，尽管硅对电子学来说是很好的，但它不能传输科学家和工程师想要的每一个波长的光。Tran解释说：“如果我们想把我们的应用扩展到更短的波长，我们需要使用一种不同的材料来引导光。”

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氮化硅：可见光到近红外波长的全光子集成解决方案

氮化硅成为了最佳候选材料。这种材料的带隙约为250纳米，远在光谱的紫外线部分。而且，由于它是一种硅化合物，它很容易与电子制造实践相结合。它的成分，硅和氮，也是丰富和廉价的。Morin说：“从元素上讲，它是沙子加空气。而且整个过程涉及常规的制造步骤，可以很容易地用现有的基础设施来扩大规模。”

但是现在必须再次解决将激光器与波导连接起来的挑战，因为由于氮化硅的光学特性，原来在硅上的技术对氮化硅不起作用。光以不同的速度传播，取决于它所通过的物质。科学家们用一个叫做折射率的数字来描述材料中的光速，而氮化硅的折射率与激光材料非常不同。这使得激光层的光束很难弯曲到它下面的氮化硅波导中。

为了解决这个问题，研究小组在与激光器相同的平面上添加了一种折射率接近于氮化硅的中间材料。这样一来，激光可以正面进入过渡波导，然后从具有类似光学特性的材料向下引导到氮化硅中。虽然设计是向前迈进了一步，但真正的挑战是如何使该工艺兼容。

这一成就标志着该团队取得了重大突破。“2018年，我们几个来自UCSB的人成立了Nexus Photonics，以解决制造短波长光子集成电路的挑战，”联合创始人兼首席执行官Tin Komljenovic说：“现在，我们终于将技术优化到超过大型商业系统的性能，同时比1美分硬币还小。”

“这是半导体和光子领域的一个重要里程碑，”加州大学圣巴巴拉分校毕业生、共同第一作者、Nexus Photonics公司的联合创始人兼工程副总裁Chong Zhang补充说：“它首次为可见光到近红外波长的全光子集成提供了一个可行的、可扩展的解决方案。”

氮化硅上集成相干的、可广泛调谐的激光器。

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成本降低，实现商业铸硅

这种激光耦合技术将使高功率的精密光子技术的成本降低几个数量级。因此，它们将可用于研究人员的发现，用于工程师制造更好的技术，最终甚至用于消费电子产品。毕竟，大规模生产、小型化的光子电路正是可以被纳入消费品的那种组件。

作者解释说，有各种各样的应用。这项技术可能通过生物传感和DNA测序等应用进入生物医学领域、在原子物理学和量子研究中开辟新的途径。Morin说：“使用商业硅铸造厂将意味着世界上每所学校的每一位大学教授都能买得起设备，并进行现在只有在主要研究机构才可行的实验。”

“我们正在实现量子物理学的民主化。”Tran补充说。

光子学还可以彻底改变虚拟和增强现实。Morin说：“有了集成光子学，就有可能从一个小芯片中获取光线，并将其送往一个精确控制的方向：快速扫过方向，可以动态地投射图像；还可以在同一个芯片上检测出光来自哪里。因此，有可能在某个地方照亮一束光，并看到回来的东西，所有这些都在一个微小的‘包’里。”这就是激光雷达背后的想法，激光雷达相当于雷达，它正在彻底改变我们的驾驶体验。

该团队已经成功地将光子学整合到电子制造领域，他们已经在关注他们的下一个挑战。最终，他们计划将光子和电子电路整合到同一个芯片上，在成本和能力方面实现更大的效率。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05119-9

[2]https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=61966.php

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