UVA工程研究人员寻求光子系统芯片技术的突破

世界经济论坛将数字时代称为“第四次工业革命”。半导体技术至关重要，尤其是微芯片技术的发展。

光刻技术使得在半导体材料薄层中和上制造大量集成电子微元件（晶体管、二极管、电阻器和电容器）成为可能。例如，智能手机中的单个半导体芯片包含数十亿个此类微型设备。

半导体集成和小型化的下一个前沿领域将是光子学，就像集成晶体管对电子学所做的那样：大大增加每个芯片的设备数量。这将大大提高光子集成电路的功能、可靠性和效率。

弗吉尼亚大学工程学院的一个研究小组已经着手证明复杂的光子集成电路是可以实现的并且具有商业可行性。他们加入了Quintessent领导的团队，该团队获得了国防高级研究计划局LUMOS计划的研究资助。Quintessent 是一家从加州大学圣巴巴拉分校分拆出来的初创公司，致力于将基于量子点的激光器和用于光连接的光子集成电路商业化。

为了满足 DARPA 对高性能的期望，该团队需要设计一种集成电路，其产生的功率大于其吸收的功率，这种物理特性称为增益。虽然晶体管在电子集成电路中做得很好，但在光子集成电路中实现增益已被证明是难以实现的。 

扩增是一个挑战。在电子设备方面，晶体管输出的信号功率大于其吸收的功率，从而从电池中获取额外的能量。由于激光器和光放大器需要特殊材料，大多数光子集成电路平台缺乏增加光功率的能力，将每个芯片的设备总数限制在数十或数百个设备。 

商业可行性依赖于消费电子半导体芯片的现有制造基础设施；硅衬底是制造低成本、可扩展的光子集成电路所需的基础平台。然而，使用传统的硅晶片制造方法和材料无法实现电驱动激光器和放大（即增益）。Quintessent 正在引领包含量子点的 III-V 族增益材料与硅光子集成电路的集成，以克服这个问题。

最初的 PATRONUS 平台演示将包括具有超过 100 毫瓦输出功率的激光器的集成增益，并受益于对高温和光反馈不敏感的量子点增益。

两个额外的构建块对这项工作至关重要。一个是光调制器，它可以每秒打开和关闭激光 1000 亿次，速度高达 100 GHz。第二个是光电探测器，它可以以如此快的速度接收光并将其转换为电流。

UVA 工程团队在调制器和光电探测器（特别是 III-V 族化合物半导体）首选的材料系统和合金方面拥有丰富的经验。团队成员保持多项高速探测器记录，并与 Morton Photonics 合作开发具有同样高性能的调制器。

Morton Photonics 十多年来一直致力于先进的硅光子器件和光子集成电路，专注于射频光子学和传感系统，为国防部和商业应用提供新功能。他们与 UVA 团队成员在多个项目上合作，利用他们世界领先的光子学专业知识，开发新光子设备。

为了实现增强的功能，各个“小芯片”——激光器、光电二极管和调制器——必须无缝工作，并将信号传导到传感、计算或通信系统的其他电子组件。

X-Celeprint 的微转移打印技术允许这些组件以高产量和精确度无缝集成。微转移打印将一系列激光器件平行转移到硅基板上，从而形成单片光子集成电路，可以通过各种先进的封装技术进一步加工。

Tower Semiconductor 将使用其领先的代工厂 PH18 硅光子工艺制造主机硅光子电路晶圆。 获取更多前沿科技 研究进展 访问：https://byteclicks.com

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