[技術(shù)前沿]全球首顆可編程的光芯片
來自巴倫西亞理工大學(xué)光子學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室 (PRL)-iTEAM的團(tuán)隊(duì)和iPRONICS公司設(shè)計(jì)并制造了一款革命性芯片，用于電信領(lǐng)域、數(shù)據(jù)中心和與人工智能計(jì)算系統(tǒng)相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施。它是全球第一個(gè)通用、可編程、多功能的光子芯片。
它將有利于5G通信、數(shù)據(jù)中心、量子計(jì)算、人工智能、衛(wèi)星、無人機(jī)和自動(dòng)駕駛等許多其他應(yīng)用。
該芯片的開發(fā)是由研究員 José Capmany 領(lǐng)導(dǎo)的歐洲項(xiàng)目UMWP-Chip的主要成果。該工作已發(fā)表在《自然通訊》上。
UPV和iPRONICS團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制造的芯片允許通信網(wǎng)絡(luò)的無線和光子部分進(jìn)行按需編程和互連，避免產(chǎn)生限制可用容量和帶寬的瓶頸。
“這是世界上第一款具有這些特性的芯片。它可以實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)所需的十二種基本功能，并且可以按需編程，從而提高電路的效率，”Capmany解釋道。
UPV教授解釋說，5G或自動(dòng)駕駛汽車等應(yīng)用需要更高的頻率，因此有必要縮小天線和相關(guān)電路的尺寸。在這種情況下，UPV的PRL-iTEAM成功地使天線后面的轉(zhuǎn)換器（接口芯片）盡可能微型和緊湊，并準(zhǔn)備好支持當(dāng)前和預(yù)期的未來頻段。
該芯片已集成到iPRONICS產(chǎn)品Smartlight中，沃達(dá)豐也已將其用于測(cè)試。
“對(duì) ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 來說，這款芯片的開發(fā)是至關(guān)重要的一步，因?yàn)樗梢则?yàn)證 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的開發(fā)成果是否適用于日益嚴(yán)重的問題，即對(duì)人工智能計(jì)算系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流進(jìn)行有效管理。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的下一個(gè)目標(biāo)是iPronics 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 Daniel Pérez-López 表示：“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 希望順利獲得擴(kuò)展芯片來滿足這一細(xì)分市場(chǎng)的需求。
可編程光子芯片使PIC適應(yīng)多種未來
電子學(xué)非常適合執(zhí)行快速計(jì)算，而光子學(xué)則非常適合移動(dòng)信息。然而，后者的一個(gè)主要缺點(diǎn)是新型光子集成芯片的開發(fā)過程緩慢且成本高昂，阻礙了其廣泛使用。如果光子芯片可以針對(duì)不同的應(yīng)用進(jìn)行重新編程，這將大大降低開發(fā)成本，縮短上市時(shí)間，并提高其使用的可持續(xù)性。
為了運(yùn)行，可重新編程的光子芯片需要大量高效的電光執(zhí)行器來切換、分離和過濾穿過它們的光信號(hào)。順利獲得引入微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 以及基于液晶的解決方案，研究人員現(xiàn)在正在開發(fā)用于大規(guī)模可重構(gòu)光子集成電路 (PIC) 的低功耗構(gòu)建模塊。這種多功能光子芯片有望加快在生物傳感、醫(yī)療技術(shù)和信息處理等各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用。
在過去的五年里， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 見證了一場(chǎng)真正的電子革命。電子產(chǎn)品現(xiàn)在為社會(huì)的許多基本活動(dòng)給予動(dòng)力。光子技術(shù)現(xiàn)在正在加速開展，以經(jīng)歷類似的繁榮。新興的PIC對(duì)于為當(dāng)今的通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心給予動(dòng)力越來越重要。與此同時(shí)，這些組件的復(fù)雜性也在快速增長(zhǎng)?，F(xiàn)在，單個(gè)光子芯片擁有數(shù)萬甚至數(shù)十萬個(gè)構(gòu)建塊。
然而，與電子芯片領(lǐng)域不同的是，電子芯片領(lǐng)域可以購買現(xiàn)成的芯片并對(duì)它們進(jìn)行編程以在各種應(yīng)用中執(zhí)行各種功能，而大多數(shù)PIC都是特定于應(yīng)用的。定義芯片上光路的電路是在設(shè)計(jì)階段設(shè)置的，以取得特定功能的最佳性能，并按設(shè)計(jì)制造。這使得重新編程沒有靈活性，并且?guī)缀醪豢赡軐⒐庾有酒匦掠糜诓煌哪康?。相?，每個(gè)新應(yīng)用都需要新的芯片設(shè)計(jì)。
光子芯片的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試周期緩慢且成本高昂。芯片制造運(yùn)行的結(jié)果很容易需要12個(gè)月才能得知。而且由于光子學(xué)生態(tài)系統(tǒng)尚未像電子學(xué)生態(tài)系統(tǒng)那樣成熟，因此制造的芯片并不總是按預(yù)期工作，特別是在非常復(fù)雜電路的第一次迭代中。
因此，將一個(gè)想法開發(fā)成實(shí)際產(chǎn)品很容易需要五到六年的時(shí)間，具體取決于目標(biāo)和成功所需的芯片迭代次數(shù)。對(duì)于想要將光子芯片技術(shù)引入新應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新者來說，這個(gè)時(shí)間跨度構(gòu)成了巨大的進(jìn)入壁壘。如今，PIC主要用于電信和數(shù)據(jù)通信環(huán)境。盡管用于傳感、光譜學(xué)、激光雷達(dá)和量子信息處理的 PIC 已經(jīng)有了令人興奮的演示，但在這些不同的應(yīng)用領(lǐng)域中基于PIC的實(shí)際商業(yè)產(chǎn)品數(shù)量仍然只有個(gè)位數(shù)。
打破這種僵局并降低進(jìn)入門檻的一種可能的解決方案是在光子電路中引入可編程性。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 再看一下電子產(chǎn)品的例子?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 等多用途可編程電子產(chǎn)品不斷是消費(fèi)電子產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵有助于者。光子學(xué)需要具有類似使用模式的芯片：購買通用的現(xiàn)成芯片，然后對(duì)其進(jìn)行配置以執(zhí)行所需的光學(xué)功能。像這樣的可編程光子芯片可以將新光子產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)時(shí)間從多年縮短到幾個(gè)月甚至幾周。這將極大地促進(jìn)光子芯片的使用及其應(yīng)用的多樣性。
根特大學(xué)、imec和其他組織正在召開合作項(xiàng)目來創(chuàng)建此類通用可編程光子芯片。與專用芯片一樣，這些芯片也面臨著一系列新的挑戰(zhàn)。
為了使芯片上的光路可配置，需要集成數(shù)十萬個(gè)由電可調(diào)移相器控制的光閘。這些移相器可以在不同的光路中引起微小的延遲，從而導(dǎo)致光波的相長(zhǎng)或相消干涉，并導(dǎo)致光信號(hào)改變其路徑。因此，光閘充當(dāng)耦合兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出的微型開關(guān)，具有在0%至100%范圍內(nèi)陸續(xù)在調(diào)整光分裂的附加能力，并且還給予對(duì)光學(xué)相位的控制。這種完全控制是有代價(jià)的：這些基本構(gòu)建模塊需要表現(xiàn)得非常好，因?yàn)楣獗仨毚┻^一長(zhǎng)串移相器。
在光子芯片上實(shí)現(xiàn)光閘的傳統(tǒng)方法是使用微型加熱器。這些是靠近波導(dǎo)的微型電加熱器。加熱波導(dǎo)會(huì)改變其光學(xué)特性，從而引起相移。盡管這些加熱器非常小，但它們每個(gè)都消耗許多毫瓦的功率，這使得擴(kuò)展到非常大的電路變得困難。
2018年，歐盟資助的MORPHIC項(xiàng)目啟動(dòng)，旨在順利獲得先進(jìn)的波導(dǎo)MEMS增強(qiáng)可編程硅光子電路。MEMS 是小型機(jī)械致動(dòng)器，尺寸為幾微米，可以改變兩個(gè)波導(dǎo)之間的距離。只需維持電容器上的電壓，即可以靜電方式驅(qū)動(dòng)這些可移動(dòng)波導(dǎo)。沒有靜態(tài)功耗來維持設(shè)備的狀態(tài)。MEMS 移相器的光學(xué)效應(yīng)非常強(qiáng)。物理移動(dòng)硅結(jié)構(gòu)使設(shè)備能夠在光感知的光學(xué)環(huán)境中產(chǎn)生非常大的變化。
MORPHIC聯(lián)盟展示了長(zhǎng)度僅為60微米且功耗水平為納瓦級(jí)的MEMS移相器和可調(diào)諧波導(dǎo)耦合器。盡管這并不是MEMS執(zhí)行器首次與光波導(dǎo)相結(jié)合，但MORPHIC首次展示了MEMS在完整硅光子平臺(tái)中的集成，且不犧牲平臺(tái)上其他關(guān)鍵組件的性能，例如高速調(diào)制器和鍺光電探測(cè)器。
這種整合并不那么簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)的硅光子波導(dǎo)被封裝在二氧化硅和其他電介質(zhì)的包層內(nèi)，可移動(dòng)波導(dǎo)組件必須是獨(dú)立式的，這意味著它們懸浮在空氣或真空中。由MORPHIC組成的六家歐洲合作伙伴組成的團(tuán)隊(duì)解決了這個(gè)問題，方法是局部去除波導(dǎo)下方的支撐層，使其可移動(dòng)，然后使用晶圓級(jí)氣密密封方法保護(hù)獨(dú)立式MEMS器件。因此，這些器件可以連接到更大的電路中，并使用高密度中介層技術(shù)連接到定制設(shè)計(jì)的多通道驅(qū)動(dòng)器和讀出電子器件。從晶圓級(jí)加工不斷到封裝和編程，研究人員證明這些波導(dǎo)MEMS執(zhí)行器可以用作硅光子芯片上的高效光學(xué)調(diào)諧機(jī)制。這一成就需要多學(xué)科的努力，其中包括半導(dǎo)體加工；電氣、光學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)能力；以及多種包裝和組裝工藝以及軟件例程的開發(fā)。
在采用MEMS方法的同時(shí)，研究人員還在探索液晶用于可編程光子芯片的潛力。液晶材料是雙折射的，這意味著它們可以順利獲得使用局部電場(chǎng)重新定向液晶分子來改變其折射率。
在歐洲研究委員會(huì)兩項(xiàng)資助的支持下，PhotonICSWARM和LIQUORICE項(xiàng)目的研究人員順利獲得在液晶包層中局部嵌入波導(dǎo)，成功地將液晶集成到功能齊全的硅光子芯片上。波導(dǎo)中的光記錄液晶分子的局部旋轉(zhuǎn)，可以用附近的電極來驅(qū)動(dòng)液晶分子。由此產(chǎn)生的50微米長(zhǎng)的移相器使研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)0.8 π的移相，僅由5 V驅(qū)動(dòng)，消耗的功率僅為微瓦。
理想的移相器消耗非常少的電功率，光損耗低，并且具有最小光長(zhǎng)度的占用空間。如果移相器給予非?？斓募{秒響應(yīng)時(shí)間并且可以順利獲得CMOS兼容電壓進(jìn)行控制，也會(huì)有所幫助。滿足所有這些要求是非常困難的，并且迄今為止，還沒有這樣理想的移相器的演示。但最近對(duì)液晶和MEMS器件的合作研究給予了兩種有前途的候選技術(shù)，研究人員正在使用這些新的移相器來實(shí)現(xiàn)更大的可編程電路。
可編程光子學(xué)不僅僅是芯片上的光門網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)執(zhí)行器都必須連接到驅(qū)動(dòng)器電子設(shè)備，而驅(qū)動(dòng)器電子設(shè)備必須使用從片上光電二極管收集的監(jiān)控信號(hào)順利獲得多層軟件進(jìn)行控制。所有這些都必須結(jié)合光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械封裝技術(shù)來整合在一起。為了發(fā)揮可編程光子學(xué)的潛力，必須涵蓋技術(shù)堆棧中的所有元素。
MORPHIC于2022年完成了其目標(biāo)，但該聯(lián)盟在后續(xù)項(xiàng)目PHORMIC中開啟了新篇章。該團(tuán)隊(duì)引入了更多合作伙伴來幫助解決構(gòu)建大規(guī)?？删幊坦韫庾有酒牧硪粋€(gè)關(guān)鍵問題：將轉(zhuǎn)印光學(xué)放大器和光源集成到同一芯片上。
放大器可以幫助克服較大電路中累積的光學(xué)損耗，但它們也給予了在芯片本身上設(shè)計(jì)可編程光源的可能性。
這兩個(gè)項(xiàng)目的總體目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)光子平臺(tái)，在該平臺(tái)上可以使用單芯片來演示各種光學(xué)功能，例如調(diào)制或解調(diào)不同的光通信格式、讀出光學(xué)傳感器信號(hào)或?yàn)楣馔ㄐ沤o予波長(zhǎng)濾波器。光譜學(xué)應(yīng)用。結(jié)合板載高速調(diào)制器和探測(cè)器，這種基于芯片的平臺(tái)還可以實(shí)現(xiàn)微波功能，這對(duì)于下一代6G無線通信網(wǎng)絡(luò)非常有價(jià)值。
使用同一芯片制作不同功能原型的能力可能會(huì)改變 PIC 領(lǐng)域的游戲規(guī)則，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)在電子產(chǎn)品開發(fā)中被證明非常成功的同類快速開發(fā)模型。
總部位于西班牙巴倫西亞的初創(chuàng)公司iPronics最近宣布，它已將首款此類可操作光子處理器商業(yè)化，引起了熱烈反響。這一成就表明，光子行業(yè)正走在正確的道路上，以實(shí)現(xiàn)光子集成芯片領(lǐng)域更廣泛的采用和創(chuàng)新。
參考鏈接：
http://www.photonics.com/Articles/Programmable_Photonic_Chips_Adapt_PICs_to/a68811
http://www.imec-int.com/en/articles/programmable-photonic-chips-adapt-pics-multiple-futures
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