文章来源：“爱光学”公众号

“后摩尔时代”，电子芯片面临挑战，光子集成芯片（PICs）因其优势成为突破瓶颈的关键。它在通信、计算等领域有巨大潜力。《激光与光电子学进展》2024年第19期刊登了中山大学李朝晖教授课题组的“硫系光子集成芯片”综述文章，作为创刊六十周年专题封面文章。

1、背景  

随着信息技术的日新月异，光子集成芯片（PICs）正日益凸显其在通信、高性能计算、精密传感以及量子信息科学等多个前沿科技领域的核心地位。作为一种利用光子作为信息传输与处理载体的革命性技术，光子集成芯片相较于传统的电子芯片，展现出了显著的性能优势：处理速度更快，能够支持超高速数据传输与处理；信息失真程度更低，确保了数据传输的高保真度；且能耗更低，有助于实现高效节能的信息处理系统。这些特性使得光子集成芯片被视为“后摩尔时代”信息技术发展的关键技术之一，为解决传统电子芯片面临的性能瓶颈与能耗限制提供了全新的解决方案，预示着信息技术领域的一场深刻变革。

2、发展现状  

2.1 光子集成芯片的技术突破

光子集成芯片技术突破，推动片上光传感芯片从实验室迈向应用。它因高速、精密、多功能传感的需求而崛起，尤其在医疗、环境、工业、物联网领域潜力巨大。未来趋势是高集成度、低功耗、广应用。此机遇促使宽带宽、高效率、多功能柔性光子材料及芯片，如III-V族材料（氮化硅、铌酸锂、碳化硅、氮化铝、硫系玻璃）等的深入研发与量产。随着信息技术发展和高性能传感器需求增长，这类芯片有望替代传统技术，提供高效、高性能、集成化、小型化传感方案。

2.2 硫系光子集成芯片的研究进展

硫系玻璃集成光子器件因其独特的物理特性而备受关注。硫系玻璃（ChGs）的折射率可以在较宽的范围内灵活调节，且在光学信号处理中因其较大的光弹性系数、低传播损耗、宽透明度窗口以及与多种材料平台的良好兼容性而被广泛使用。

图1 GeSbS材料的光学性质。(a)测量GeSbS块状材料的透射窗口和折射率；(b)用于测定GeSbS谐振器热光系数(TOC)以及其谐振频率随温度的变化

图2 基于GeSbS材料的镀膜以及器件制备。(a) 基于GeSbS材料的4 inch薄膜制备；(b)薄膜厚度均匀性；(c)薄膜折射率均匀

2.3 光子集成芯片的多材料体系

为了实现高性能的光子芯片，多材料体系可以实现一系列高性能器件的制造，包括高相干的激光器和光频梳、超低损耗的波导、超高非线性器件和高速调制器等。本文综述了基于光弹性效应的GeSbS集成器件的优化制造及其应用的最新进展，开发了一种改进的ChG波导制造工艺，与硅光子集成兼容，满足稳定、高重复率的制备工艺的需求，并展示了ChG集成器件在超声探测器、光声成像和声光(AO)调制器的应用。

图3 基于ChG的片上超声探测器性能研究。(a)基于ChG的片上超声探测器制备流程；(b)基于ChG的片上微盘腔结构超声探测器Q值达到1.48×106；(c)基于ChG的3个级联片上超声探测器结构设计；(d)3个超声探测器的并行光谱和超声信号解调；(e) 基于悬浮结构的ChG微盘谐振器工艺流程；(f)制备的悬浮结构ChG微盘谐振器具有1.10×106的光学Q值

图4 基于ChG超声探测器阵列的光声层析成像应用。(a)成像概念图；(b)数字光频梳技术用于阵列器件并行光谱解调的装置图；(c)基于ChG的超声探测器及其阵列结构；(d)经过光纤耦合封装后的超声探测器阵列；(e)叶脉的光声成像图；(f)生长期为7天的斑马鱼光声成像结果；(g)生长期为21天的斑马鱼光声成像结果

图5 不同结构的AO调制器。(a)片上集成推挽式AO调制器原理图；(b)声表面波模场仿真；(c)片上氮化铝基于声光效应的隔离器；(d)使用声表面波(SAW)和兰姆波(LAMB)技术的全集成的AO调制光学图像；(e)具有SiO2包围硅肋波导和AIN薄膜声表面波的集成AO调制器的横截面；(f), (g) 基于片上氮化铝薄膜的不同结构设计的AO调制器

3、总结与展望  

光子集成芯片技术正处于一个迅猛发展的阶段，其在光通信、光计算、光传感等多个高科技领域的应用前景极为广阔。从技术层面的突破性进展到材料科学的创新、再到多材料体系的高效集成，光子集成芯片正稳步跨越当前的技术瓶颈与挑战，展现出在下一代信息技术中颠覆传统、引领变革的巨大潜力。随着先进制造技术的持续演进和新型功能材料的不断涌现，光子集成芯片有望在高速通信、并行计算、高精度传感等关键信息技术领域发挥愈发核心而不可或缺的作用，为信息技术的未来发展开辟全新的路径与机遇。

课题组简介：

广东省光电信息处理芯片与系统重点实验室依托中山大学，重点研究硅基硫系材料、光芯片等，已取得多项国际领先水平成果，致力于推动超大容量数据中心互联及处理技术的发展。

上海芬创信息科技有限公司成立于2004年，公司依托复旦大学、上海交通大学等知名学府，充分利用上海人才汇聚优势，致力于精密光学应用领域产品的开发应用。芬创科技自创立以来始终秉承技术为先、引进与创新并举的发展战略，将国际的“光”应用技术与产品引进国内的同时，研发出具有国内精密位移台、除振系统等，并拥有多款自主知识产权的系列产品。目前，芬创科技已经合作的客户包括众多国内知名的微电子领域、精密加工领域、激光加工领域、生物医疗领域、各大高校研究所、中科院下属研究所及国际知名检测设备等众多企业与机构。