可配置电路技术有望扩大硅光子应用范围

研究人员已经开发出一种在硅光子芯片上构建高效、可编程集成开关单元的新方法。这项新技术可以批量制造出通用光学电路,然后对其进行编程以用于特定应用,例如通信系统,LIDAR电路或计算应用,新技术有望降低生产成本。

“硅光子技术能够将光学器件和先进的微电子电路全部集成在一个芯片上,”来自南安普顿大学的研究团队成员Xia Chen说。”我们预计可配置硅光子电路将极大地扩大硅光子学的应用范围,同时还能降低成本,使这项技术在消费类应用中发挥更大的作用。”

在《光学学会》(OSA)杂志《光学快报》上,由Graham Reed领导的研究人员展示了开关单元中的新方法,该方法可用作构建模块,以创建更大的基于芯片的可编程光子电路。该技术将有广泛的应用范围,例如,它可以用于制造检测生化和医疗物质的集成传感设备,以及用于高性能计算系统和数据中心的连接的光收发器。

研究人员开发了一种晶圆级探针,正在南安普敦大学(左)进行测试。
该探测器可以自动且准确地执行光学和电气设备测试以及激光退火,每个设备的平均速度不到30秒。
右图显示了用于自动测量的软件驱动定位台(右上)和位于8英寸晶圆顶部的输入/输出光纤(右下)

可擦除元件

这项新工作建立在早期研究的基础上,研究人员通过将锗离子注入硅中,开发出了一种可擦除的光学元件,即光栅耦合器。这些离子会引起损伤,从而改变该区域中硅的折射率。然后,使用激光退火工艺加热局部区域,可使该区域的折射率发生逆转并擦除光栅耦合器。

在《光学快报》的论文中,研究人员描述了他们如何应用同样的锗离子植入技术来制造可擦除的波导和定向耦合器,这些元件可用于制造可重构电路和开关。这代表着首次在硅中创建了亚微米级可擦除波导。

构建可编程电路

研究人员利用南安普顿大学的Cornerstone制造厂设计并制造波导、定向耦合器和1 X 4和2 X 2开关电路,展示了这种新方法。来自不同芯片的光子器件在使用激光退火编程前后的测试显示出了一致的性能。

由于该技术涉及通过一次性操作物理上改变光子波导的路由,因此编程时不需要额外的功率来保留配置。研究人员还发现,使用局部集成加热器的电退火以及激光退火也可用于对电路进行编程。

研究人员正在与一家名为ficonTEC的公司合作,通过开发一种在晶圆规模上应用激光和/或电退火工艺的方法,利用传统的晶圆探针(晶圆测试机),使这项技术在实验室以外的地方实用化,这样就可以对成百上千的芯片进行自动编程。目前,他们正在研究将激光和电子退火工艺集成到这种晶圆级的测试机中,南安普顿大学正在测试这种晶圆测试机 — — 大多数电子光子代工厂中都有这种仪器。

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