光子芯片，全球首创

悉尼大学的研究人员将光子滤波器和调制器组合在单个芯片上，使他们能够精确检测宽频带射频 (RF) 频谱的信号。这项工作使光子芯片距离取代光纤网络中体积更大、更复杂的电子射频芯片的日子又近了一步。

悉尼团队利用受激布里渊散射（Brillouin scattering）技术，该技术涉及在某些绝缘体（例如光纤）中将电场转换为压力波。2011 年，研究人员报告称，布里渊散射具有高分辨率滤波的潜力，并开发了新的制造技术，将硫族化物布里渊波导结合到硅芯片上。2023 年，他们成功地将光子滤波器和调制器结合在同一类型的芯片上。该团队在 11 月 20 日发表在《自然通讯》上的一篇论文中报告称，这种组合使实验芯片的光谱分辨率达到 37 兆赫兹，并且带宽比以前的芯片更宽。

荷兰特温特大学的纳米光子学研究员David Marpaung表示：“调制器与有源波导的集成是这里的关键突破。” Marpaung 十年前与悉尼小组合作，现在领导自己的研究小组，该小组正在采取不同的方法，寻求在微型封装中实现宽带、高分辨率光子无线电灵敏度。Marpaung 表示，当有人在 100 GHz 频段达到低于 10 MHz 的光谱分辨率时，他们将能够取代市场上体积较大的电子 RF 芯片。此类芯片的另一个优点是它们可以将射频信号转换为光信号，以便通过光纤网络直接传输。这场竞赛的获胜者将能够进入电信提供商和国防制造商的巨大市场，他们需要能够可靠地在复杂的射频 (RF) 环境中导航的无线电接收器。

“硫属化物具有非常强的布里渊效应；它非常好，但仍然存在一个问题，即它是否可扩展……它仍然被视为实验室材料，”Marpaung 说。悉尼小组必须找到一种新方法，将 5 毫米见方封装的硫族化物波导安装到标准制造的硅芯片中，这并非易事。2017 年，该小组找到了如何将硫族化物组合到硅输入/输出环上，但直到今年才有人用标准芯片来管理这种组合。

其他研究小组正在研究可能也提供类似性能的不同材料。例如，铌酸锂比硅具有更好的调制器特性，Marpaung 在仍在接受同行评审的工作中表明，铌酸锂可以通过布里渊散射提供类似的高分辨率滤波。耶鲁大学 Peter Rakich 领导的另一个研究小组去年表明，纯硅波导和芯片组合可以在 6 GHz 频谱带上实现 2.7 MHz 滤波。这项工作没有集成调制器，但它暗示了一种可能更简单、涉及更少材料的制造路径。

也就是说，悉尼团队的方法可能需要比硅更好的声学性能。研究人员了解布里渊效应已有 100 多年的历史，但近几十年来又重新引起了人们的兴趣。过去，研究人员使用它在重新传输之前将信息存储在光脉冲中，这种技巧可以避免将光转换为电并再次转换回来的需要。

当然，集成光子芯片的梦想有许多活动部件。悉尼研究人员写道，其他人制造的调制器正在快速改进，这也将有助于他们的技术。相关技术的其他进步可能有利于其他一些致力于集成光子芯片的团队。“如果你解决了集成问题、性能问题和实用性，你就会获得市场认可，”Marpaung 说。