來自巴倫西亞理工大學(xué)光子學(xué)研究實驗室 (PRL)-iTEAM 的團隊和 iPRONICS 公司設(shè)計并制造了一款革命性芯片，用于電信領(lǐng)域、數(shù)據(jù)中心和與人工智能計算系統(tǒng)相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施。它是全球第一個通用、可編程、多功能的光子芯片。
它將有利于 5G 通信、數(shù)據(jù)中心、量子計算、人工智能、衛(wèi)星、無人機和自動駕駛等許多其他應(yīng)用。
該芯片的開發(fā)是由研究員 José Capmany 領(lǐng)導(dǎo)的歐洲項目 UMWP-Chip 的主要成果。該工作已發(fā)表在《自然通訊》上。
UPV 和 iPRONICS 團隊設(shè)計和制造的芯片允許通信網(wǎng)絡(luò)的無線和光子部分進(jìn)行按需編程和互連，避免產(chǎn)生限制可用容量和帶寬的瓶頸。
“這是世界上第一款具有這些特性的芯片。它可以實現(xiàn)這些系統(tǒng)所需的十二種基本功能，并且可以按需編程，從而提高電路的效率，”Capmany 解釋道。
UPV教授解釋說，5G或自動駕駛汽車等應(yīng)用需要更高的頻率，因此有必要縮小天線和相關(guān)電路的尺寸。在這種情況下，UPV 的 PRL-iTEAM 成功地使天線后面的轉(zhuǎn)換器（接口芯片）盡可能微型和緊湊，并準(zhǔn)備好支持當(dāng)前和預(yù)期的未來頻段。
該芯片已集成到 iPRONICS 產(chǎn)品 Smartlight 中，沃達(dá)豐也已將其用于測試。
“對我們來說，這款芯片的開發(fā)是至關(guān)重要的一步，因為它可以驗證我們的開發(fā)成果是否適用于日益嚴(yán)重的問題，即對人工智能計算系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流進(jìn)行有效管理。我們的下一個目標(biāo)是iPronics 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 Daniel Pérez-López 表示：“我們希望通過擴展芯片來滿足這一細(xì)分市場的需求。
可編程光子芯片使 PIC 適應(yīng)多種未來
電子學(xué)非常適合執(zhí)行快速計算，而光子學(xué)則非常適合移動信息。然而，后者的一個主要缺點是新型光子集成芯片的開發(fā)過程緩慢且成本高昂，阻礙了其廣泛使用。如果光子芯片可以針對不同的應(yīng)用進(jìn)行重新編程，這將大大降低開發(fā)成本，縮短上市時間，并提高其使用的可持續(xù)性。
為了運行，可重新編程的光子芯片需要大量高效的電光執(zhí)行器來切換、分離和過濾穿過它們的光信號。通過引入微機電系統(tǒng)(MEMS) 以及基于液晶的解決方案，研究人員現(xiàn)在正在開發(fā)用于大規(guī)?？芍貥?gòu)光子集成電路 (PIC) 的低功耗構(gòu)建模塊。這種多功能光子芯片有望加快在生物傳感、醫(yī)療技術(shù)和信息處理等各個行業(yè)的應(yīng)用。
在過去的五年里，我們見證了一場真正的電子革命。電子產(chǎn)品現(xiàn)在為社會的許多基本活動提供動力。光子技術(shù)現(xiàn)在正在加速發(fā)展，以經(jīng)歷類似的繁榮。新興的 PIC 對于為當(dāng)今的通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心提供動力越來越重要。與此同時，這些組件的復(fù)雜性也在快速增長?，F(xiàn)在，單個光子芯片擁有數(shù)萬甚至數(shù)十萬個構(gòu)建塊。
然而，與電子芯片領(lǐng)域不同的是，電子芯片領(lǐng)域可以購買現(xiàn)成的芯片并對它們進(jìn)行編程以在各種應(yīng)用中執(zhí)行各種功能，而大多數(shù) PIC 都是特定于應(yīng)用的。定義芯片上光路的電路是在設(shè)計階段設(shè)置的，以獲得特定功能的最佳性能，并按設(shè)計制造。這使得重新編程沒有靈活性，并且?guī)缀醪豢赡軐⒐庾有酒匦掠糜诓煌哪康摹Ｏ喾?，每個新應(yīng)用都需要新的芯片設(shè)計。
光子芯片的設(shè)計、制造和測試周期緩慢且成本高昂。芯片制造運行的結(jié)果很容易需要 12 個月才能得知。而且由于光子學(xué)生態(tài)系統(tǒng)尚未像電子學(xué)生態(tài)系統(tǒng)那樣成熟，因此制造的芯片并不總是按預(yù)期工作，特別是在非常復(fù)雜電路的第一次迭代中。
因此，將一個想法開發(fā)成實際產(chǎn)品很容易需要五到六年的時間，具體取決于目標(biāo)和成功所需的芯片迭代次數(shù)。對于想要將光子芯片技術(shù)引入新應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新者來說，這個時間跨度構(gòu)成了巨大的進(jìn)入壁壘。如今，PIC 主要用于電信和數(shù)據(jù)通信環(huán)境。盡管用于傳感、光譜學(xué)、激光雷達(dá)和量子信息處理的 PIC 已經(jīng)有了令人興奮的演示，但在這些不同的應(yīng)用領(lǐng)域中基于 PIC 的實際商業(yè)產(chǎn)品數(shù)量仍然只有個位數(shù)。
打破這種僵局并降低進(jìn)入門檻的一種可能的解決方案是在光子電路中引入可編程性。
我們再看一下電子產(chǎn)品的例子。現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 等多用途可編程電子產(chǎn)品一直是消費電子產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵推動者。光子學(xué)需要具有類似使用模式的芯片：購買通用的現(xiàn)成芯片，然后對其進(jìn)行配置以執(zhí)行所需的光學(xué)功能。像這樣的可編程光子芯片可以將新光子產(chǎn)品的原型設(shè)計時間從多年縮短到幾個月甚至幾周。這將極大地促進(jìn)光子芯片的使用及其應(yīng)用的多樣性。
根特大學(xué)、imec 和其他組織正在開展合作項目來創(chuàng)建此類通用可編程光子芯片。與專用芯片一樣，這些芯片也面臨著一系列新的挑戰(zhàn)。
為了使芯片上的光路可配置，需要集成數(shù)十萬個由電可調(diào)移相器控制的光閘。這些移相器可以在不同的光路中引起微小的延遲，從而導(dǎo)致光波的相長或相消干涉，并導(dǎo)致光信號改變其路徑。因此，光閘充當(dāng)耦合兩個輸入和兩個輸出的微型開關(guān)，具有在 0% 至 100% 范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整光分裂的附加能力，并且還提供對光學(xué)相位的控制。這種完全控制是有代價的：這些基本構(gòu)建模塊需要表現(xiàn)得非常好，因為光必須穿過一長串移相器。
在光子芯片上實現(xiàn)光閘的傳統(tǒng)方法是使用微型加熱器。這些是靠近波導(dǎo)的微型電加熱器。加熱波導(dǎo)會改變其光學(xué)特性，從而引起相移。盡管這些加熱器非常小，但它們每個都消耗許多毫瓦的功率，這使得擴展到非常大的電路變得困難。
2018年，歐盟資助的MORPHIC項目啟動，旨在通過先進(jìn)的波導(dǎo)MEMS增強可編程硅光子電路。MEMS 是小型機械致動器，尺寸為幾微米，可以改變兩個波導(dǎo)之間的距離。只需維持電容器上的電壓，即可以靜電方式驅(qū)動這些可移動波導(dǎo)。沒有靜態(tài)功耗來維持設(shè)備的狀態(tài)。MEMS 移相器的光學(xué)效應(yīng)非常強。物理移動硅結(jié)構(gòu)使設(shè)備能夠在光感知的光學(xué)環(huán)境中產(chǎn)生非常大的變化。
MORPHIC聯(lián)盟展示了長度僅為60微米且功耗水平為納瓦級的MEMS移相器和可調(diào)諧波導(dǎo)耦合器。盡管這并不是 MEMS 執(zhí)行器首次與光波導(dǎo)相結(jié)合，但 MORPHIC 首次展示了 MEMS 在完整硅光子平臺中的集成，且不犧牲平臺上其他關(guān)鍵組件的性能，例如高速調(diào)制器和鍺光電探測器。
這種整合并不那么簡單。傳統(tǒng)的硅光子波導(dǎo)被封裝在二氧化硅和其他電介質(zhì)的包層內(nèi)，可移動波導(dǎo)組件必須是獨立式的，這意味著它們懸浮在空氣或真空中。由 MORPHIC 組成的六家歐洲合作伙伴組成的團隊解決了這個問題，方法是局部去除波導(dǎo)下方的支撐層，使其可移動，然后使用晶圓級氣密密封方法保護(hù)獨立式 MEMS 器件。因此，這些器件可以連接到更大的電路中，并使用高密度中介層技術(shù)連接到定制設(shè)計的多通道驅(qū)動器和讀出電子器件。從晶圓級加工一直到封裝和編程，研究人員證明這些波導(dǎo) MEMS 執(zhí)行器可以用作硅光子芯片上的高效光學(xué)調(diào)諧機制。這一成就需要多學(xué)科的努力，其中包括半導(dǎo)體加工；電氣、光學(xué)和機械設(shè)計能力；以及多種包裝和組裝工藝以及軟件例程的開發(fā)。
在采用 MEMS 方法的同時，研究人員還在探索液晶用于可編程光子芯片的潛力。液晶材料是雙折射的，這意味著它們可以通過使用局部電場重新定向液晶分子來改變其折射率。
在歐洲研究委員會兩項資助的支持下，PhotonICSWARM 和 LIQUORICE 項目的研究人員通過在液晶包層中局部嵌入波導(dǎo)，成功地將液晶集成到功能齊全的硅光子芯片上。波導(dǎo)中的光記錄液晶分子的局部旋轉(zhuǎn)，可以用附近的電極來驅(qū)動液晶分子。由此產(chǎn)生的 50 微米長的移相器使研究人員能夠?qū)崿F(xiàn) 0.8 π 的移相，僅由 5 V 驅(qū)動，消耗的功率僅為微瓦。
理想的移相器消耗非常少的電功率，光損耗低，并且具有最小光長度的占用空間。如果移相器提供非?？斓募{秒響應(yīng)時間并且可以通過 CMOS 兼容電壓進(jìn)行控制，也會有所幫助。滿足所有這些要求是非常困難的，并且迄今為止，還沒有這樣理想的移相器的演示。但最近對液晶和 MEMS 器件的合作研究提供了兩種有前途的候選技術(shù)，研究人員正在使用這些新的移相器來實現(xiàn)更大的可編程電路。
可編程光子學(xué)不僅僅是芯片上的光門網(wǎng)絡(luò)。每個執(zhí)行器都必須連接到驅(qū)動器電子設(shè)備，而驅(qū)動器電子設(shè)備必須使用從片上光電二極管收集的監(jiān)控信號通過多層軟件進(jìn)行控制。所有這些都必須結(jié)合光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和機械封裝技術(shù)來整合在一起。為了發(fā)揮可編程光子學(xué)的潛力，必須涵蓋技術(shù)堆棧中的所有元素。
MORPHIC 于 2022 年完成了其目標(biāo)，但該聯(lián)盟在后續(xù)項目 PHORMIC 中開啟了新篇章。該團隊引入了更多合作伙伴來幫助解決構(gòu)建大規(guī)?？删幊坦韫庾有酒牧硪粋€關(guān)鍵問題：將轉(zhuǎn)印光學(xué)放大器和光源集成到同一芯片上。
放大器可以幫助克服較大電路中累積的光學(xué)損耗，但它們也提供了在芯片本身上設(shè)計可編程光源的可能性。
這兩個項目的總體目標(biāo)是開發(fā)一個光子平臺，在該平臺上可以使用單芯片來演示各種光學(xué)功能，例如調(diào)制或解調(diào)不同的光通信格式、讀出光學(xué)傳感器信號或為光通信提供波長濾波器。光譜學(xué)應(yīng)用。結(jié)合板載高速調(diào)制器和探測器，這種基于芯片的平臺還可以實現(xiàn)微波功能，這對于下一代 6G 無線通信網(wǎng)絡(luò)非常有價值。
使用同一芯片制作不同功能原型的能力可能會改變 PIC 領(lǐng)域的游戲規(guī)則，因為它可以實現(xiàn)在電子產(chǎn)品開發(fā)中被證明非常成功的同類快速開發(fā)模型。
總部位于西班牙巴倫西亞的初創(chuàng)公司 iPronics 最近宣布，它已將首款此類可操作光子處理器商業(yè)化，引起了熱烈反響。這一成就表明，光子行業(yè)正走在正確的道路上，以實現(xiàn)光子集成芯片領(lǐng)域更廣泛的采用和創(chuàng)新。
參考鏈接：
https://www.photonics.com/Articles/Programmable_Photonic_Chips_Adapt_PICs_to/a68811
https://www.imec-int.com/en/articles/programmable-photonic-chips-adapt-pics-multiple-futures
來源：內(nèi)容由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自techxplore。
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