探索集成光子器件的极限：顾庭怡教授课题组
光子盒研究院出品
在特拉华大学杜邦大厅的三楼，电气工程师们正在一个大型光学桌上分析精密的厘米大小的计算机芯片，这个光学桌上被示波器、透镜和激光器包围着。研究人员正忙于收集这些芯片如何将光波转换为电信号的数据，目标是找出如何使他们制造的下一批芯片更快、更节能或具有更高的计算能力。
这是电子和计算机工程系助理教授顾庭怡的实验室，研究人员正在推动集成光子器件领域的极限。采用高风险、高回报的研究策略，顾庭怡的课题组在开发新的芯片设计和将独特材料应用于广泛的光通信、传感和计算应用方面取得了进展[1]。
顾庭怡教授
简单来说，光子器件是能够产生、控制或检测光的器件，光子集成电路能够利用光来实现更复杂的功能，例如数据分析。顾庭怡在读研究生时就开始从事这一领域的工作，专注于通过基础研究来改进光子集成电路，重点是开发新的芯片设计，并研究如何将其他应用中的材料融入光子设备。
顾庭怡谈到她的团队的研究策略时说：“对我和我的学生来说，我们不太可能阅读一篇论文并修改一些东西，以显示稍微好一点的优势。相反，我们试图通过从根本上改变我们的研究方式来寻找更具革命性的东西。这是一种风险更高的方法，但探索这种方法比试图重复别人已经做过的事情或取得一些渐进的进展更有趣。”
关于顾廷怡的研究策略如何在光子学领域取得进展的两个例子可以在她的团队2022年初的两篇论文中找到，一篇发表在《自然·通讯》上，另一篇发表在《先进材料》上。
01
光子芯片的里程碑
2019年，顾庭怡和她的研究生Zi Wang在集成光子平台上开发了一种用于鲁棒波前控制的片上转换光学设计原理[2]，可用于与量子光学等其他领域相关的复杂过程。
现在，顾庭怡课题组最新的《自然·通讯》论文[3]展示了如何将先进的计算能力直接集成到这些光子芯片上。“2019年，我们的设备有非常简单的组件，例如傅里叶变换。现在，集成元系统拥有近1000个预编程元素，可以处理整个光谱域的不确定性，这是集成光子处理器相对于电子处理器的一个里程碑，”顾庭怡说。
Zi Wang现在是美国国家标准与技术研究院的博士后，他说，扩展他们的原始设计，同时使其与制造工艺兼容，是最近这篇论文中最具挑战性的部分。“这种结构是用梯度反向传播方法设计的，在我们最初的设计中，这种方法耗费了大量的时间和计算资源。但我发现我们的结构具有特殊的对称性，通过在数学计算中使用对称性，计算变得容易得多。”
顾庭怡实验室成员
由于这种洞察力，研究人员发现他们可以使用光衍射来进行复杂的计算和数据分析。顾庭怡解释说：“由于每个可编程元件都比传统芯片小得多，所以在同样的芯片面积上可以装更多的元件。”
这篇论文是一个新的设计方法如何帮助研究人员使用现有的制造方法来创造比当前最先进的技术更强大的芯片的例子。“集成光子电路有更大的潜力，不仅仅是几十年来使用和研究的相同方式，甚至现在的电路也有我们可以打破的限制，”她说。
02
制造新的光学存储器
第二篇论文发表在《先进材料》杂志上[4]，展示了顾的实验室如何从其他应用中的材料中获得灵感，以评估它们是否可用于光子存储器，光子存储器依靠光而不是磁来存储信息。
这些用于可重写存储器存储的平台被称为光学忆阻器件，具有降低总体能耗的潜力，但目前依赖于与材料相或材料物理状态(最常见的是固体、液体和气体)变化相关的缓慢过程。相移是光学器件存储的方式，但这里的相移过程需要在非晶相(一种没有太多结构的相，像一堆沙粒)和晶相(一种高度结构化的相，像雪花的特写镜头)之间过渡。
为光子集成电路制造一种既紧凑又可控的移相器仍然是一个挑战，因为目前可用于光学器件的材料只能在非常高的温度下非常缓慢地改变相位。
在这篇论文中，该小组研究了硒化铟(In2Se3)，是一种常用于电子器件但尚未广泛用于光学应用的材料，以了解它们是否可以通过在不同的晶相之间而不是在晶相和非晶相之间转换来创建光学存储。
在这项研究中，第一作者李田甜，曾是特拉华大学博士后，现为西安邮电大学副教授，首次发现硒化铟的相变机制与最初基于模拟结果的理论不同。然后，研究人员利用这些理论见解在不同的晶态之间进行相移，使用短纳秒光脉冲创建光学存储器。
李田甜博士在谈到这项工作的影响时说：“光学相变材料由于在光学计算方面的应用前景而吸引了很多兴趣。相变材料的高功耗影响了神经网络的计算速度，我们的材料有望打破这一瓶颈。”
顾庭怡实验室的光子芯片
除了它们在光子学领域的应用，这两篇论文还展示了创造力的重要性和这一领域独特的灵感来源。“我们试图利用其他资源，结合不同领域的知识，”顾廷怡说道。“在《自然通讯》的论文中，我们受到了为机器学习进行图像分类的人的启发，我们将其带到了我们的集成光子平台上，而在《先进材料》的论文中，我们受到了研究相变机制的化学家的启发。”
03
光子学的未来
顾庭怡实验室的研究人员专注于开发新的芯片设计，并研究如何将其他应用中的材料整合到光子器件中。这项工作有三个阶段：模拟，评估不同的芯片设计；制造，芯片在特拉华大学的纳米制造工厂制造；测试，在测试中，对芯片进行评估，看它们的性能与模拟预测的性能相比如何。
对于从事光子晶体研究的博士生Yahui Xiao来说，从事这种类型的研究需要从基础物理到制造的知识，这为她提供了一次有意义的研究生院经历，特别是因为她期待着从事光学工程和纳米光子学的这种“混合”研究。
Yahui Xiao说：“我想通过理解底层物理学来获得对当前技术的见解。在特拉华大学，我们拥有纳米制造设施，这些制造技能是我们可以在走向工业时使用的，因为我们可以完成整个制造过程。”
从事硒化铟项目的博士生Dun Mao表示，尽管这一领域的研究具有挑战性，但当他们能够取得突破并获得良好结果时，这是令人鼓舞的。“最令人兴奋的部分是当我们从实验中观察到一些有趣的现象，可以使器件更快或更有效，”他说。
顾庭怡补充说，虽然在光子学领域有许多尚未回答的研究问题，他们的团队可以解决，但她实验室的工作总是由她的学生的兴趣和激情驱动的。“我们试图在实验室里采取更高风险的方法，有时好，有时不好，但我认为学生们学到了很多东西。”
Mao和Xiao都表示，顾庭怡教授的支持对他们目前在研究生阶段的成功起到了至关重要的作用。Xiao还补充说，在一个通常由男性主导的领域，有顾庭怡教授作为女导师对她来说是一种额外的激励。“我可以从她身上学到很多东西，她在这一领域非常成功。”
参考链接：
[1]https://www.udel.edu/udaily/2022/december/tingyi-gu-electrical-computer-engineering-photonics-optics/
[2]https://www.nature.com/articles/s41467-019-11578-y
[3]https://www.nature.com/articles/s41467-022-29856-7
[4]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202108261