算力革新：光子芯片+AI系统（材料篇）

发布时间 | 2024-08-05 15:35 分类 | 粉体应用技术点击量 | 454

氮化硅氧化硅

导读：光子芯片使用的材料包括硅、磷化铟、砷化镓、铌酸锂、钽酸锂、相变聚合物、二维材料等新型材料。目前较为成熟的材料体系为硅基材料和磷化铟材料。

在当前信息量爆炸的时代，电子芯片算力的增长远低于人工智能计算需求的增长，以微纳光子集成为基础的光子芯片结合基于光学计算的人工智能数据处理系统将成为应对未来低功耗、高速率、大数据量信息处理能力的关键。之前，小编给大家介绍了光子芯片的相关特性，今天，我们给大家介绍一下可以应用在光子芯片的相关材料及相关研究进展。光子芯片使用的材料包括硅、磷化铟、砷化镓、铌酸锂、钽酸锂、相变聚合物、二维材料等新型材料。目前较为成熟的材料体系为硅基材料和磷化铟材料。

来源：摩尔芯闻

一、硅

硅是当前光子芯片最常用的材料之一，常用于制造光波导、光调制器、光探测器等光子器件。它在近红外波段具有较高的透明性，在这个波段对光的吸收非常低，可以减少光信号在传输过程中的损耗，保证了信号的长距离传输和高质量的信号完整性，但在近红外波段之外的应用就较为有限。硅具有良好的非线性光学特性，通过二次或三次谐波生成，可以将入射光的频率翻倍或变为三倍，实现波长的转换，增加数据传输的通道数量，以显著提升整体的数据吞吐量。光子芯片由于研究时间较短，技术还尚未优化完成，导致其研发、制备成本较高，但用硅制备光子芯片（硅光芯片），可以很好的与传统电子芯片制造工艺兼容，能够实现高精度、低成本的制造，促进了光子芯片的商业化应用。北京大学王兴军教授团队通过直接由半导体激光器泵浦集成微腔光频梳，为硅基光电子集成芯片提供了所需的光源，完成了大规模集成系统的高效并行化。

来源：三个皮匠报告

二、氮化硅

氮化硅在光子芯片中常用于制作弯曲波导、光分束器、光耦合器等光学元件。氮化硅在可见光到近红外波段均有很高的透明性和低光吸收，使其非常适合用作光波导材料。氮化硅的折射率可以通过沉积工艺进行调整，通常在1.8-2.2左右，低于硅但高于二氧化硅，适合作为中介折射率材料，与硅波导或二氧化硅波导结合使用可以实现更长的传输距离和更高的模式质量，适用于高性能光子芯片。氮化硅薄膜通常具有较低的内应力，有助于减少由于应力引起的波导变形和光学性能退化，也可以作为应力隔离层来减少不同材料层之间的应力差异。瑞士于今年6月研制出有史以来第一个在氮化硅光子集成电路上集成的掺铒波导激光器，其性能接近于光纤激光器，可用于传感器、陀螺仪、医疗诊断等领域。

使用双层氮化硅波导工艺的全集成受激布里渊微波光子信号处理系统

三、III-V族化合物半导体材料

III-V族化合物半导体材料在光子芯片中扮演着关键角色，它们通常用于制造激光器、光放大器和光探测器等。接下来将集中介绍III-V族化合物半导体材料中的两种代表性材料砷化镓和磷化铟。

（1）砷化镓：砷化镓是一种特殊的半导体材料，它的直接带隙较宽，约为1.4电子伏特，可以在长波长范围内高效的发射和吸收光子。基于这一特点，砷化镓可以实现更高的数据传输速率、较少的能量损耗、有效的信号质量提升，因此它常被用于制造高功率激光器、放大器和探测器。同时，砷化镓与硅工艺的兼容性较好，可以实现光电混合集成，制成高性能的光电系统。

（2）磷化铟：磷化铟是一种具有优异光电性能的半导体材料，它的直接带隙约为1.35电子伏特，可以在短波长范围内进行光子的发射和吸收。磷化铟的电子迁移率比砷化镓低，但它拥有非常丰富的非线性光学特性，可以在短波长区域实现波长转换、光信号放大；它拥有良好的电光性能，使它可以通过施加电场来改变光的传播特性，因此它常用于制备高速光调制器、光开关和光探测器。今年，香港科技大学设计出横向纵横比捕获技术，解决了III-V族器件与硅的不匹配问题，使两者的耦合更加高效。

全球磷化铟产业图（来源：Photondelta）

四、晶体材料

晶体材料因具有高透明度、良好的热稳定性、较强的机械强度等特点，在光子芯片的设计和制造中具有非常丰富的应用潜力。下面将介绍两种代表性晶体材料铌酸锂和钽酸锂。

（1）铌酸锂：铌酸锂是一种具有非线性光学效应的晶体材料，可用于制造光调制器、波长转换器等光子芯片器件。它的直接带隙约为2.2电子伏特，常用在长波长的光通信元件中。基于其显著的电光效应^*1和非线性光学特性，它在光通信、光信号处理、生物传感的光子芯片中有着较强的应用。目前，我国山东恒元已自主研制出12英寸大尺寸光学级铌酸锂晶体，是国际上首次报道的超大尺寸铌酸锂晶体，为铌酸锂的大规模国产光电集成芯片奠定了基础。

*1电光效应：当给晶体施加电场时，光波的传播速度会在光传播方向与电场方向垂直时发生变化，光波的折射率也因此而改变，利用这个现象可以实现对光波的强度调制或相位调制。

（2）钽酸锂：钽酸锂是一种具有显著声光效应^*2的晶体材料，相较铌酸锂，它的热稳定性更好，可以减少温度对光学性能的影响，在高温环境下会更为可靠。其直接带隙约为2.0电子伏特，常用于短波长的光通信。钽酸锂的声光效应比铌酸锂更为显著，使得它在超快光学和激光技术中具有更加广泛的应用前景。今年4月，中科院开发出钽酸锂异质集成晶圆，为钽酸锂低成本、规模化制造夯实了基础。

*2声光效应：当在晶体中引入声波，光波会在频率接近的声波发生布里渊散射，使光波的传播速度发生变化，利用这种效应可以产生并控制光脉冲，从而实现对波长的选择、信号处理。