研究人员利用铌酸锂为平台，开发出处理速度更快、能耗更低的微波光子芯片，该芯片有何优缺点？

光芯片领域迎新进展：科学家研发铌酸锂微波光芯片，兼具超宽带处理和高精度计算

光芯片领域新突破：铌酸锂微波光芯片展现卓越性能
香港城市大学王骋课题组取得重大进展，他们研发出一款基于薄膜铌酸锂的集成微波光子处理器。这款创新芯片首次在同一芯片上集成了超快电光转换模块和低损耗、多功能信号处理模块，展现出了前所未有的性能优势。
这款铌酸锂微波光子芯片在67GHz的超宽处理和高达96.6%的高精度计算上，速度比传统电子处理器快1000倍，且功耗更低。它的高效模拟信号处理能力在5G/6G无线通信、雷达系统、人工智能等领域展现出广阔的应用前景。
审稿人对这项研究给予高度评价，认为它是光子处理器领域的重要进步。通过集成铌酸锂的独特电光特性，王骋团队成功构建了具有高速和低能耗特点的新型光处理芯片，被誉为光子学中的“硅”材料。
尽管早期研究过程中，团队面临铌酸锂晶圆工艺的挑战，但他们通过不断优化工艺流程和实验设计，实现了超高速信号处理功能，并在微波光子学中展示了应用潜力。研究人员利用这个平台，实现了超高速微分器和常微分方程的求解，性能远超传统电子处理器。
团队不仅在性能上取得突破，还在光通信领域看到了大规模商用的前景。基于薄膜铌酸锂的低成本和高效率，他们期待其在光通信领域的商业化应用将日益普及。此外，他们还计划进一步优化工艺和封装，提升芯片的集成度和功能性，寻求与产业伙伴的深度合作。
王骋教授凭借其在该领域的创新贡献，已经成为科技界瞩目的人物，他将继续带领团队在铌酸锂光电子技术的发展道路上探索前行。

铌酸锂光子晶体电光调制器：为通信、计算、光子学研究铺路

导读
背景
与使用电力的传统电路相比，光子集成电路使用光线取代电力进行计算和信号处理，具有更快的速度、更大的带宽、更高的效率。
但是它们的尺寸还不够小，无法与在电气电路继续占主导地位的计算以及其他应用进行竞争。
创新
罗切斯特大学的电气工程师认为，他们在解决这个问题上迈出了重要一步。该校团队采用光子学研究人员普遍采用的材料，创造出迄今为止最小的电光调制器。该调制器是基于光子学的芯片的关键组件之一，控制光线如何通过电路。
下面的示意图展示了电气与计算机工程系教授林强（音译：Qiang Lin）教授实验室开发的电光调制器。
在《自然·通讯》（ NatureCommunications ）中，林教授实验室描述了采用粘合在二氧化硅层上的铌酸锂（LN）薄膜，不仅可以制造出最小的LN调制器，而且它还可以高速运行并且节能。
这篇论文的领导作者、林教授实验室的研究生李明晓（音译：Mingxiao Li）写道：“这为实现大规模的LN光子集成电路奠定了至关重要的基础，而LN光子集成电路对于数据通信、微波光子学以及量子光子学中的广泛应用具有极其重要的意义。”
技术
林教授表示，由于铌酸锂具有出色的电光和非线性光学特性，它已经“成为光子学研究和开发的主打材料系统”。“然而，目前在块状晶体或薄膜平台上制造的LN光子器件都需要较大的尺寸，并且难以按比例缩小尺寸，这样就限制了调制效率、能耗以及电路集成度。主要挑战在于打造高精度、高质量的纳米光子结构。”
该调制器项目建立在实验室之前使用铌酸锂创造光子纳米腔（光子芯片中的另一个关键组件）的基础上。林教授表示，纳米腔只有大约一微米的大小，只能在室温下使用两到三个光子来调谐波长，“我们第一次知道甚至有两到三个光子已经在室温下以这种方式被操纵过”。《光学设计》（Optica）杂志上的一篇论文对该设备进行了描述。
这款调制器可以配合纳米腔使用，创造出纳米级的光子芯片。
关键词
参考资料
【1】Mingxiao Li, Jingwei Ling, Yang He, Usman A. Javid, Shixin Xue, Qiang Lin. Lithium niobate photonic-crystal electro-optic modulator . Nature Communications , 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-17950-7
【2】https://www.rochester.edu/newscenter/photonics-researchers-report-breakthrough-in-miniaturizing-light-based-chips-449382/

钽酸锂集成光子芯片登上Nature：中国芯片取得新的突破

制造芯片的核心材料硅，是半导体工业中的基石。其生产流程从高纯度的多晶硅开始，通过复杂工艺转化为单晶硅晶棒，进一步研磨、抛光、切片得到晶圆片，具备极高的表面平整度和纯度，是集成电路制造的基础。硅晶圆的原材料主要为地壳中的二氧化硅，通过高度提纯达到九个九（99.99999999%）以上的半导体制造业标准。除了硅，氮化镓、碳化硅、铌酸锂和钽酸锂等特殊材料晶圆也被用于特定类型的芯片或光子集成电路中，但硅仍是主流选择。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所与瑞士洛桑联邦理工学院合作，在钽酸锂异质集成晶圆及高性能光子芯片制备领域取得了重大突破。这一成果以《可大规模制造的钽酸锂集成光子芯片》为题发表在《自然》杂志上。
研究人员在《自然》杂志上证明了单晶钽酸锂薄膜拥有卓越的电光转换特性，特别是在双折射、透明窗口范围、抗光折变和频率梳产生方面具有优势。硅基钽酸锂异质晶圆（LTOI）的制备工艺接近于绝缘体上的硅（SOI），这使得钽酸锂薄膜能够实现低成本、规模化制造，具有极高的应用价值。
钽酸锂芯片的优势包括：
超越传统材料的特性：钽酸锂不仅具有优异的电光效应，还表现出低损耗和高双折射率，为信息传输提供了前所未有的宽带支持，是生成电光频率梳的理想选择。
革命性的量子桥梁：钽酸锂的介电损耗远低于铌酸锂，为单个微波光子与超导量子比特的高效对接提供了几乎无与伦比的介质，有望解决量子计算机的热瓶颈问题。
制造方法采用基于“万能离子刀”的异质集成技术，通过氢离子注入结合晶圆键合方法，成功制备了高质量硅基钽酸锂单晶薄膜异质晶圆。
实际验证中，研究人员探索了钽酸锂材料内部低双折射对于模式交叉的有效抑制，并验证了其在整个通信波段的应用潜力。基于钽酸锂光子芯片，研究团队首次在X切型电光平台上成功产生了孤子光学频率梳，结合其电光可调谐性质，有望在激光雷达、精密测量等领域实现应用。
总结而言，相较于国际上常见的异质集成硅基铌酸锂平台，研究团队选择大规模制造的钽酸锂薄膜作为研究对象，挖掘了钽酸锂在光电性能和批量制备方面的优势。钽酸锂光子芯片展现出的极低光学损耗、高效电光转换和孤子频率梳生成等特性，有望为通信领域速度、功耗、频率和带宽等四大瓶颈问题提供解决方案，并在低温量子、光计算、光通信等领域催生革命性技术。
据透露，该团队所孵化的上海新硅聚合半导体有限公司已具备异质晶圆量产能力，并开发出8英寸异质集成材料技术。
来源：AI寒武纪
链接：晒科网

Optica更新|基于氮化硅和薄膜铌酸锂混合的高速低压电光调制器在近红外光波长的应用

简介
光电芯片技术为在芯片上使用波导、耦合器、调制器、探测器和其他组件操纵光提供了紧凑、可扩展的平台。虽然在 1.3 和 1.55 μm 左右的电信波长方面取得了巨大进步，但将光电芯片功能扩展到 0.4-1 μm 的更短、可见光和近红外波长，可使数据通信、光谱学、生物医学成像、量子技术等应用受益匪浅。然而，像电光（EO）调制器这样的高性能有源光子组件在这些波长上的表现却相对落后。
最近，UC San Diego的研究人员取得了突破性进展，报告了基于氮化硅（SiN）和薄膜铌酸锂（TFLN）混合波导的集成 EO 马赫-泽恩德调制器（MZM），在 784 nm 近红外波长上同时实现了 100 GHz 的调制带宽和 1 V 的半波电压。本文解释了这一成果的意义以及实现这一成果的混合集成方法。
对高速、低压调制器的需求
电光调制器对于将电信号编码到光载体上进行传输、处理和检测很重要。电光调制器的关键指标是调制速度、半波电压 Vπ 和光损耗。调制带宽应超过信号带宽，而较低的 Vπ 则可降低功耗。以前，近红外波长的集成 EO 调制器要么速度有限（<40 GHz），要么 Vπ 较高（>4V）。
新型 MZM 是首个低于 1V 的调制器，在可见光/近红外波段的带宽超过 100 GHz。这种高速和低电压的结合使复杂的调制格式能够在数据通信和其他应用中实现高达 100 Gbps 的传输。与以前的近红外调制器相比，100 GHz/V 的数字也意味着调制效率提高了 10 倍，从而降低了驱动功率要求。
混合薄膜铌酸锂（TFLN）以及氮化硅（SiN）的集成方法
混合 MZM 是通过在图案化的 SiN 波导上粘接一层 200 nm 的 x 切割 TFLN 而制成的。TFLN 提供了 EO 效果，而 SiN 则利用可扩展的晶圆级工艺定义了低损耗波导和路由。绝热 SiN 锥体将光学模式重叠集中在 TFLN 区域，以实现高效的相位调制。
高 EO 带宽和低半波电压
受限于仪器带宽，已报道的具有 0.4 厘米和 0.8 厘米长移相区的 MZM 显示出超过 100 GHz 的平坦频率响应。通过严格的光学模式约束，低频 Vπ 分别为 2V 和 1V。
未来展望
784 nm 波长的高速、低电压 EO 调制器的首次展示，凸显了混合光子集成技术在可见光和近红外波长下实现高效相位和强度控制的潜力。所述的异质集成、绝热模式转换和慢波电极工程方面的创新与现有的硅基光电子制造技术兼容，可迁移到其他材料平台和工作波长。
通过将以前仅限于电信波段的集成 EO 调制器的性能优势引入可见光和近红外波段，研究人员为集成非经典光学、光量子学、光信号处理、生物光子学等开辟了令人兴奋的新机遇。利用紧凑型驱动器生成任意光波形的能力还将为各种互连长度的光通信带来益处。

百纳米就好使！光芯片缓解芯片瓶颈难题

作者 | 张双虎
IBM研发出2纳米制程芯片的消息尚未传开，台积电和合作伙伴就宣布取得了1纳米以下制程芯片技术突破。业内普遍认为，芯片技术日新月异的同时，也一步步逼近其物理理论的极限。
近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）教授Tobias Kippenberg团队开发出一种采用氮化硅衬底制造集成光子电路（光子芯片）的技术，得到了创纪录的低光学损耗，且芯片尺寸小。相关研究发表在《自然—通讯》上。
光子芯片奋起直追，也许能帮助人们突破摩尔定律的“天花板”，开辟新的“赛道”。
“硅家族”与大马士革工艺
光子芯片通常由硅制成，硅在地壳中含量丰富且具有良好的光学特性，但难以满足集成光子芯片所需的一切条件，因此出现了诸多新材料加以替代，如氮化硅、二氧化硅、氮化铝、铌酸锂、碳化硅等。
Tobias Kippenberg团队采用一种氮化硅光子大马士革工艺（光子镶嵌工艺）技术。大马士革工艺是一种非常古老的工艺，最早可以追溯到阿拉伯人在他们的武器和装饰上面做颜色的镶嵌和绘图。这个工艺要先做出图形轮廓，然后把颜色材料镶嵌到轮廓中再进行抛光，这样就得到一个色彩艳丽的图案。
“大马士革工艺思路曾被用在早期以铜为材料的电子电路制造上。研究当中，我们把氮化硅大马士革工艺用到集成光路制造上，得到了极低的光损耗。”论文第一作者、EPFL微纳技术中心博士刘骏秋告诉《中国科学报》，“利用这一技术，我们制造了光损耗仅为1dB/m的集成光路，创下了所有非线性光子集成材料的纪录。”
使用这项新技术，研究人员在5平方毫米的芯片上制备了高品质因数的微谐振器和超过一米长的波导。他们还报告了九成的制造良品率，这对于将来扩大工业生产规模至关重要。
“超低损耗的氮化硅集成光子芯片对未来通信、计算和6G技术都至关重要。这种类型的光子芯片可以将信息编码进光，再通过光纤传输，并成为光通信的一个核心组成部分。”刘骏秋说。
光子集成后发先至
“电子芯片工作时，可以理解为电信号输入芯片进行处理，比如存储、读取、进行运算等，之后再输出。与之类似，光子芯片是将光信号输入芯片，进行数据传输、存储、计算和输出的芯片。”刘骏秋表示，“相对于电子芯片，光子芯片虽然起步较晚，但有自己独特的优势。”
科学家认为，光具有天然的并行处理能力及成熟的波分复用技术，从而使光子芯片的数据处理能力、容量及带宽均大幅度提升。光波的波长、频率、偏振态和相位等信息可以代表不同的数据，用来作为非常高效的通信种子源。
“光子芯片具有高运算速度、低功耗、低时延等特点，且不易受到温度、电磁场和噪声变化的影响。”中科创星董事总经理张思申说，“光子芯片不必追求工艺尺寸的极限缩小，就能有更多的性能用以提升空间。”
“与电芯片相比，光芯片在诸多领域，比如通信、激光雷达、传感、图像分析方面有独一无二的优势。”刘骏秋解释说，光芯片速率可以达到100G，比电芯片快很多，这样可以在光的通道上面做更多信息的编码，承载更多的信息，同时功耗比电芯片更小。因为光在传播中不会产生任何热效应，这和电子不一样，还有光和光之间不会有相互作用，不会受到背景电磁场干扰。
刘骏秋所在团队曾利用氮化硅光芯片架构光神经网络，使用一个卷积神经网络去求解矩阵，然后应用在浮雕过滤器上。相关成果发表在今年1月的《自然》上。
“我们把一个图像信号输入系统中，经过浮雕过滤器，它会强化高频信号、弱化低频信号，即实现强化图像边缘的目的。比如一辆小 汽车 的图片，它原来的车灯内部结构你可能看不到。经过浮雕过滤器处理的新图像中，车灯内部结构被强化了。”刘骏秋说，“这证明了氮化硅光子芯片在光神经网络、深度学习方面有很好的应用。”
除人工智能外，光子芯片广泛用于激光雷达、微波滤波器、毫米波生成、天体光谱仪校准、低噪声微波生成，也可以用作中红外双梳光谱，测量气体当中的成分。若应用到光学相关断层扫描，则可以看生物组织的结构。它还能用作数据中心开关，进行数据调控。
两条赛道的竞争与合作
刘骏秋说，通俗地理解，信息在手机或者电脑里进行处理主要使用电子芯片，但信息的传递是需要光纤的。所以，到这一步就需要进行电光转换。“目前，光和电是在两个‘赛道’上，各有自己的应用场景。”
“现在英特尔数据中心用的集成半导体激光器，就是将电信号转换成光信号，然后进行数据处理、编码和传输。英特尔每年向全世界输送数千万个这样的集成半导体激光器芯片。”刘骏秋说，“光子集成电路相对于传统分立的‘光—电—光’处理方式降低了复杂度，提高了可靠性，能够以更低的成本构建一个具有更多节点的全新网络结构。虽然目前仍处于初级发展阶段，不过其成为光器件的主流发展趋势已成必然。”
“在逻辑运算领域，未来的趋势是光电集成的结合，还需要很长一段时间，才能实现全光计算。”张思申说，“总体来说，目前只在个别计算和传输领域，光子芯片可以替代电子芯片。”
刘骏秋认为，从架构上可以看出，光子芯片系统整体非常复杂。光子芯片系统里有光源、处理器、探测器，也需要各种材料之间集成的协同，很少有单个研究单位能够对整个系统进行架构和制备。在制造工艺上，两者虽然流程和复杂程度相似，但光子芯片对结构的要求不像电芯片那样严苛，一般是百纳米级。因此，光子芯片不会像电子芯片那样必须使用极紫外光刻机（EUV）。
“光的波长在百纳米到一微米量级，因此限制了光子器件的集成密度。但这同时也意味着，光芯片达到最理想的工作条件并不依赖最先进的半导体工艺制程，比如极紫外光刻机。”刘骏秋说，“这大大降低了对先进工艺的依赖，一定程度上缓解了当前芯片发展的瓶颈问题。”
此外，光子芯片提供了全新的芯片设计架构思路，彻底颠覆原有的设计理念，有更多的设计创意空间。
“光有光的优势，电有电的优势。光的优势是稳定，不容易受外界影响。同时这也是光的劣势，意味着人们想操控光，改变它的状态，手段非常有限。”刘骏秋说，“在某些应用场景中，两者也有竞争，比如神经网络。但更多的时候，二者是合作关系。光芯片技术目前还没有电芯片成熟，所以未知的因素很多，两者未来应该很好地衔接起来。”
对此，中国科学院微电子研究所研究员、集成电路先导工艺研发中心副主任罗军持同样观点。
“电子集成电路和光子集成电路之间是互补的关系。”罗军对《中国科学报》说，“未来可以充分利用光子集成电路高速率传输和电子集成电路多功能、智能化的优点，在新的‘赛道’上跑出更好成绩。”
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21973-z
https://doi.org/10.1038/s41586-020-03070-1