【Chip-Scale Integrated Photonics】芯片级集成光子技术为未来光学微系统提供动力

当前，从光通信、遥感到制造业和医学，激光对于许多领域都是必不可少的。在将近60年前半导体激光器首次展示后，二极管激光器的发展和半导体制造技术的使用使该技术得以不断创新和小型化。光子集成电路（Photonic integrated circuits，PICs）将许多光子元件组合到一个芯片上，改变了激光器和其他光学系统的工程设计方式，从而在尺寸、重量与功率（SWaP）、系统性能以及新功能方面实现了改进。 尽管取得了这些进步，但许多障碍仍然阻碍了国防和商业应用光学系统的普及。

光子集成电路有多种形式，并由用于创建集成设备平台的材料定义。虽然庞大的硅电子制造生态系统已将硅光子学确立为在单个芯片上集成数千个高性能无源组件的主要平台，但基本的材料限制仍无法使用芯片上的组件有效地产生光或光学增益。复合半导体可以有效地在芯片上产生光，但是由于传播损耗高（或者由于光吸收、散射或其他方式造成的损耗）以及制造成熟度有限，因此在缩放功率或复杂性方面面临挑战。集成平台在单个芯片上具有完整光子学功能，可以提高性能、支持设计创新并降低开发成本，从而能够在许多商业领域以及国防部（DoD）中实现更大的部署和影响。

“商业数据中心驱动程序已经建立了针对特定细分市场的集成光子学平台。” 美国国防部高级研究计划局（DARPA）微系统技术办公室（MTO）项目经理戈登·基勒博士（Gordon Keeler）博士介绍说：“但是，与国防部相关的应用通常需要具有更高光学性能的组件，例如更低噪声的激光器、更高功率的放大器或在不同光谱带中运行。因此，关键的和新兴的应用程序无法有效利用现有的集成光子技术。开发满足特殊用户需求的功能更强大的集成平台可能会产生革命性的影响。”

为了解决阻碍光学微系统发展的障碍，DARPA开发了通用微光学系统激光器（Lasers for Universal Microscale Optical Systems，LUMOS）项目。 LUMOS寻求开发完整的高性能集成光子平台，以在单个芯片上实现高效的光学增益、高速调制和检测以及低损耗的无源功能。该平台将激光器、放大器、调制器、波导和检测器的各种组件集成到单个基板上，为无数用例提供了空前的功能——从数字和模拟通信到导航和授时，再到量子感测和计算。为了满足这些要求，LUMOS寻求探索新材料并利用异构集成技术的最新发展，这些集成技术将最佳的材料整合在单个芯片上。

在该项目中，研究人员的任务是创建跨三个研究领域（复杂性、功率和频谱）优化的平台。研究人员将致力于显著扩展硅光子技术的复杂性和性能，并将致力于开发一个平台，该平台支持在第一个研究领域将数千个光学组件集成在单个芯片上。第二个研究领域将集中于国防应用的高功率、高速光子平台的开发。第三个领域将寻求开发可见光和近红外光子平台，该平台能够支持新型应用程序，例如临界感测、授时和量子信息应用程序。每个研究领域将探索针对特定应用需求量身定制的片上增益集成策略和光子集成电路平台。

为了说明通过完整的组件集成而获得的性能提升和尺寸、重量与功率（SWaP）改进，LUMOS将在项目的整个生命周期中进行与国防部相关系统的演示验证。

LUMOS项目是DARPA电子复兴计划（Electronics Resurgence Initiative，ERI）的一部分，该计划为期五年，超过15亿美元，旨在开发工艺和技术，以提高微电子性能，突破传统晶体管缩放的限制，从而帮助实现摩尔定律的预测。 ERI的一个方面是致力于创造国防部可利用的独特、差异化的国内制造能力。除了专注于与国防部相关的应用之外，LUMOS还寻求开发可在现有代工厂中制造的集成光子平台，从而使国防用户更容易使用该技术。

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