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可程式光子晶片的未來動態
歐洲推動開發可程式光子電路的低功耗光電閘極

【作者: imec】   2023年07月25日 星期二

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電子電路擅長快速運算,而光子電路適合用來傳輸資料。但後者的主要劣勢在於開發新型光子積體電路不光耗時,就連成本也相當高昂,因此難以擴展應用。


光子晶片如果能根據不同的應用,透過重新設計程式來控制電路,那麼就能降低開發成本,縮短上市時間,還能強化永續性。可程式設計的晶片需要大量的高效光電致動器來切換、分離與過濾光訊號。透過引進微機電系統(MEMS)與液晶技術方案,研究人員現已著手研發可重構大型光子積體電路的低功耗構件。這些具備多功能的光子晶片將能加速橫跨多元產業的各式應用,包含(生物)感測、醫療科技及資訊處理。


儘管如此,光子晶片與電子晶片並不相同,前者必須針對應用進行客製化,後者則能在購買成規產品後,依照定製的用途進行調校。為了達到最佳效能,光子晶片上用來定義光線路徑的電路皆固定不動,且按原樣製造,並無重設電路配置的彈性。每個新應用都需要新的晶片設計。


創新瓶頸

任職於比利時根特大學(Ghent University)與比利時微電子研究中心(imec)的Wim Bogaerts教授目前正在協調進行一項歐盟資助的共同研究計畫,致力於開發可程式矽光子晶片,他表示:「設計、製造與測試光子晶片不僅耗時,而且價格不斐。因應不同的設計目標與迭代(iteration)次數,從概念發想到完成產品研發很可能要5~6年,這樣的開發時程對創新者來說是一大阻礙。」



圖一 : 把光子晶片的原型開發時程從數年縮短至數月,將能大幅增進其用途與應用多樣性。(source:imec)
圖一 : 把光子晶片的原型開發時程從數年縮短至數月,將能大幅增進其用途與應用多樣性。(source:imec)

Bogaerts教授認為,把光子晶片的原型開發時程從數年縮短至數月,甚至是數周,將能大幅增進其用途與應用多樣性。


他接著說道:「我們想開發一套光子晶片平台,讓光子晶片上的電路能重複進行程式設計,實現不同的功能。不過,與針對單一功能的專用光子電路相比,可程式晶片的尺寸更大,也更複雜,必須面臨自身的挑戰。其所用的基本光學元件除了必備超高效率,還需要更多的控制元件與軟體程序。」


微機電系統(MEMS)與液晶技術

可程式光子積體電路的基本光學元件就是光學閘極。這是一種具備雙輸入與雙輸出的波導元件,包含一顆能控制波導相位延遲的相移器(phase shifter),以及一顆負責混合或分離波導的可調耦合器。傳統做法是利用晶載加熱器來控制光子晶片的閘極,但每個加熱器都會增加數毫瓦的功耗。


2018年,由歐盟資助的MORPHIC計畫開跑,目標是運用先進的微機電(來改良可程式設計的矽光子晶片。微機電系統(MEMS)是小型的機械式致動器,尺寸僅數微米,能夠改變波導之間的距離。


然而,移動式波導元件必須採用獨立式設計,亦即處於懸空或真空狀態,但傳統的矽光子波導由氧化矽層或其它介電材料進行包覆封裝。該團隊集結六位研究夥伴,共同解決了這項問題,除了局部移除波導下方的支撐層,使其得以移動,也採用晶圓級封裝來保護這些獨立式微機電元件。這樣一來,光學相移器的功耗就能達到奈瓦等級,還能以100x100μm2的超小尺寸與光子晶片整合。這些微機電波導與大型光子電路連接,並透過高密度的中介層技術,與客製化的多通道驅動與讀取元件的電極相連。該研究團隊演示了這些微機電元件從製造、封裝到電路配置的過程,顯現其作為矽晶片的高效光學調變機制確實可行。


接下來,Bogaerts教授及其團隊也會探索將液晶技術用於可程式光子晶片的可能性。液晶具備雙折射的特性,轉動液晶分子就能改變其折射率。研究團隊取得歐洲研究院(European Research Council)兩項經費補助(PhotonicSWARM及LIQUORICE計畫),透過嵌入由液晶包覆的波導元件,現已成功把液晶分子整合至全功能的矽光子晶片。波導內的光可以感應到液晶分子的局部方向性,而液晶分子能由鄰近的電極驅動。運用長度為50?的相移器,該團隊成功以5V的驅動電壓達到0.8π的相位差,功耗僅數微瓦。


Bogaerts表示:「理想的相移器速度要快,功耗極低,光學損耗小,光學路徑短,還要具備小尺寸。可想而知,要開發出完全符合上述條件的元件十分艱難,但我們正在朝此邁進。現在,我們手上還有兩種候選技術,極有可能成為我們心中的理想相移器。」


該研究團隊利用自身開發的可程式光子晶片平台,追求功能多樣性,而掌握不同的候選方案就能有助於此。兩套方案的研發進展也在近期於美國舊金山舉行的美西光電展(Photonics West)上發表。


Bogaerts認為MORPHIC聯盟的研究成果應歸功於夥伴之間的密切合作:「我們善用團隊內的多樣化專業,並透過團隊行動,聯手解決各式問題,這讓我們得以長期維持明確決策,也幫助我們找到解決方案,否則可能至今仍然不知所措。」



圖二 : PHORMIC計畫將解決可程式矽光子晶片開發的另一項挑戰:把轉印而來的光放大器與光源整合在同一晶片上。
圖二 : PHORMIC計畫將解決可程式矽光子晶片開發的另一項挑戰:把轉印而來的光放大器與光源整合在同一晶片上。

建立完整的技術組合

Bogaerts解釋:「我們在開發的不是矽光子晶片,而是完整的技術平台,先從微機電元件起步,一路拓展至大型電路與封裝技術。」


隨著MORPHIC計畫在2022年步入尾聲,原研發團隊也進入了新篇章,接續進行其後的PHORMIC計畫。現已納入一些新的夥伴,以解決可程式矽光子晶片開發的另一項挑戰:把轉印而來的光放大器與光源整合在同一晶片上。


Bogaerts表示:「未來的最大挑戰是整合所有全新開發的個別構件。藉此,我們正在開發具靈活性的通用光子晶片,不僅適合多種應用,基本上還能滿足可程式電子元件的功能,不過是鎖定光學應用。」


(本文作者Wim Bogaerts教授,任職於比利時根特大學光子研究團隊與imec;編譯/吳雅婷)


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