新的光子芯片具備完整功能

首次，研究人員在標準芯片上放置了光子濾波器和調制器。悉尼大學的研究人員已經成功將光子濾波器和調制器結合在一個芯片上，以便精確檢測廣泛的射頻（RF）頻譜中的信號。這項工作使光子芯片距離有朝一日有可能替代光纖網絡中更龐大且更復雜的電子RF芯片又近了一步。

悉尼的研究團隊利用了受激布里淵散射技術，這種技術涉及將電場轉換成在某些絕緣體中的壓力波，比如光纖。2011年，研究人員報告說，布里淵散射在高分辨率濾波方面具有潛力，并開發了新的制造技術，將硫系列（chalcogenide）布里淵波導與硅芯片結合起來。到了2023年，他們成功地將光子濾波器和調制器結合到了同一類型的芯片上。該組合使實驗芯片的光譜分辨率達到37兆赫茲，帶寬比之前的芯片更寬，該團隊在11月20日發表在《自然通訊》雜志上的一篇論文中報道了這一成果。

荷蘭特文特大學的納米光子學研究員大衛·馬帕恩表示：“在這里，調制器與這個有源波導的集成是關鍵突破。” 馬帕恩在十年前與悉尼小組合作，并現在領導著自己的研究小組，以不同的方法致力于在微小封裝中實現寬帶、高分辨率的光子射頻靈敏度。馬帕恩表示，當有人在100千兆赫的頻帶上實現亞10兆赫茲的光譜分辨率時，他們將能夠在市場上替代更龐大的電子RF芯片。這類芯片的另一個優勢是，它們可以將射頻信號轉換為光信號，直接通過光纖網絡進行傳輸。在那場競賽中獲勝的人將能夠進入電信服務提供商和國防制造商這一龐大市場，這些行業需要能夠在復雜的射頻環境中可靠導航的無線電接收機。

“硫系列有很強的布里淵效應；它很好，但還有一個問題，即這是否可擴展……它仍然被認為是實驗室材料，” 馬帕恩說。悉尼小組不得不想辦法將硫系列波導適應到標準制造的硅芯片的5毫米平方封裝中，這并非易事。2017年，該小組找到了將硫系列與硅輸入/輸出環結合的方法，但直到今年才有人成功地將其與標準芯片結合。

光子芯片是全球努力的結果 其他研究小組正在研究可能提供類似性能的不同材料。例如，鈮酸鋰具有比硅更好的調制器性能，而馬帕恩在一項仍在同行評審中的研究中展示了鈮酸鋰通過布里淵散射可能提供相當高分辨率的濾波。另一組，由耶魯大學的彼得·拉基奇（Peter Rakich）領導，去年展示了一個僅使用硅波導和芯片組合就能在6千兆赫茲的頻帶上實現2.7兆赫茲濾波的方法。該工作沒有集成調制器，但它暗示了一種潛在更簡單的制造路徑，涉及更少的材料。

話雖如此，悉尼小組的方法可能需要硅無法提供的更好的聲學性能。研究人員在過去的100多年中一直知道布里淵效應，但近幾十年來引起了人們的新興興趣。在過去，研究人員曾利用它將信息存儲在光脈沖中，然后再傳輸，這是一種避免將光轉換成電并再次轉換回去的技巧。

當然，集成光子芯片的夢想有很多組成部分。悉尼的研究人員寫道，其他廠家生產的調制器在快速改進，將有助于他們的技術。在相關技術的其他方面的進展可能有利于其他一些致力于集成光子芯片的研究小組。“如果你解決了集成問題、性能問題和實用性問題，你就會獲得市場接受，” 馬帕恩說。