研究人员首次在标准芯片上放置光子滤波器和调制器

STEFANIE ZINGSHEIM/THE UNIVERSITY OF SYDNEY

据悉，悉尼大学的研究人员已经成功将光子滤波器和调制器结合在一个芯片上，使他们能够精确检测宽频带射频（RF）频谱上的信号。这项工作使光子芯片距离有朝一日有可能替代光纤网络中更庞大且更复杂的电子RF芯片又近了一步。

悉尼团队利用了受激布里渊散射，这是一种在某些绝缘体（如光纤）中将电场转换为压力波的技术。2011年，研究人员报告称（https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-19-9-8285&id=212744），布里渊散射具有高分辨率滤波的潜力，并开发了新的制造技术，将硫族化物布里渊波导结合在硅片上。2023年，他们成功地在同一类型的芯片上组合了光子滤波器和调制器。该团队在11月20日发表在《自然通讯》上的一篇论文中报道（https://www.nature.com/articles/s41467-023-43404-x），这种组合使实验芯片的光谱分辨率达到37兆赫，带宽比之前的芯片更宽。

荷兰特温特大学的纳米光子学研究员David Marpaung说：“调制器与这种有源波导的集成是这里的关键突破。” Marpaung十年前曾与悉尼小组合作，现在领导着自己的研究小组，该小组正在采取不同的方法，寻求在一个小封装中实现宽带、高分辨率的光子无线电灵敏度。Marpaung说，当有人在100千兆赫波段达到低于10兆赫的频谱分辨率时，他们将能够在市场上取代体积更大的电子射频芯片。这种芯片的另一个优点是，它们将把RF信号转换成光信号，以便通过光纤网络直接传输。这场竞赛的获胜者将能够进入电信提供商和国防制造商的巨大市场，他们需要能够可靠地在复杂的射频（RF）环境中导航的无线电接收器。

Marpaung说：“硫族化合物具有非常强的布里渊效应；它非常好，但这是否可扩展仍然是一个问题……它仍然被视为实验室材料。” 悉尼小组必须找到一种新的方法，将5平方毫米封装的硫族化物波导安装到标准制造的硅片中，这绝非易事。2017年，该小组研究出了如何将硫族化合物组合到硅输入/输出环上，但直到今年，才有人用标准芯片进行组合。

光子芯片是全球的努力

其他研究小组正在研究可能提供类似性能的不同材料。例如，铌酸锂比硅具有更好的调制器性能，Marpaung在仍在进行同行评审的工作中表明，铌酸钙可以通过布里渊散射提供类似的高分辨率滤波。由耶鲁大学的Peter Rakich领导的另一个小组去年表明，纯硅波导和芯片的组合可以在6 GHz的频谱带上实现2.7 MHz的滤波。这项工作没有集成调制器，但它暗示了一条潜在的更简单的制造路径，涉及更少的材料。

也就是说，悉尼团队的方法可能需要比硅更好的声学性能。研究人员对布里渊效应的了解已有100多年，但近几十年来再次引起了人们的兴趣。过去，研究人员曾用它将信息存储在光脉冲中，然后再重新传输，这一技巧可以避免将光转换为电再转换回来的需要。

当然，集成光子芯片的梦想有许多部分。悉尼的研究人员写道，其他公司生产的调制器正在快速改进，这也将有助于他们的技术。相关技术的其他进展可能有利于其他一些研究集成光子芯片的小组。Marpaung说：“如果你解决了集成问题、性能问题和实用性问题，你就会获得市场接受。”