欧洲INSPIRE项目为混合光子芯片的规模制造开发微转印方法
2022-04-09 08:23:32 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
自2020年以来，INSPIRE项目一直在开发一种新的印刷制造方法，以实现混合光子芯片的大规模制造。该方法结合了多项技术，为光子技术的更广泛应用创造了新可能。
多种技术的结合使混合光子芯片的大规模制造成为可能。
微转印工艺示意图
用于更快、更高效检测果蔬品质、玻璃纤维细微裂缝等应用的光子技术，在未来有着巨大的市场前景。据麦姆斯咨询介绍，荷兰埃因霍温技术大学（TU/e）领导的一项被称为“INSPIRE”的欧洲合作项目正在努力兑现光子技术的市场潜力。
自2020年以来，INSPIRE项目一直在开发一种新的印刷制造方法，以实现混合光子芯片的大规模制造。该方法结合了多项技术，为光子技术的更广泛应用创造了新可能。
“本质上来说，目前的光子芯片主要有三种类型。”埃因霍温技术大学光子集成教授兼INSPIRE协调人Martijn Heck说，“它们要么基于硅、氮化硅，要么基于磷化铟。就埃因霍温技术大学来说，我们是后者的专家。”
目前使用的每种光子材料都有各自的优缺点。硅，尤其是氮化硅，可用于在芯片上低损耗传输光。并且，硅基芯片可以利用现有的半导体制造技术实现大规模生产。
然而，硅有一个主要缺点：难以用作光源材料。因此，如果需要激光，就需要另一种材料，磷化铟正是为此而来。
规模制造
Heck评论道：“使用磷化铟我们能够制造激光器和放大器等有源元件，而基于氮化硅的光子器件在引导光方面效率更高。因而，对于很多应用，最佳的方案是利用这两种材料。”
从技术上讲，已经可以将磷化铟器件置于硅基波导之上。不过，参与INSPIRE项目的代工厂Smart Photonics的首席技术官Luc Augustin表示，传统工艺并不适合批量生产。
Luc Augustin补充道：“磷化铟和氮化硅晶圆都可以大批量生产，每片晶圆可以包含数千颗光子器件。但当我们想要将这两种材料的器件组装在一起时，必须将晶圆切割为芯片再进行组装。在实验室环境下，这可能还不算问题，但这对工业生产来说显然不合适。”
INSPIRE项目旨在解决这个问题，并以可扩展的方式组合多种材料。Heck说：“我们将三种独立、成熟的技术整合在一起：我们利用X-Celeprint提供的微转印方法，在imec生产的氮化硅晶圆上印刷多个由Smart Photonics制造的磷化铟器件。”
INSPIRE首席科学家Yuqing Jiao补充说：“在实验室，这种印刷技术已经被证明可以在单颗器件层级上工作。通过这个项目，我们研究了扩展规模，一次转印整列器件的可能性。”
INSPIRE项目的三个用例
为了展示这种混合技术的工艺能力，INSPIRE项目探索了三个专用用例。第一个用例是分布式光纤传感读出，由项目合作伙伴Thales提出。Thales希望开发一种能够借助光纤检测建筑物和桥梁等大型结构故障的系统。
Jiao解释说：“激光脉冲被传导进入光纤。当被监测的大型结构出现故障时，会转化为光纤的扭曲或断裂等状况。由此，光脉冲会产生不一样的反射。根据故障的位置和性质，反射光的强度和相位会发生变化。通过分析这些反射，可以确定发生了什么状况以及发生在哪里。”
Heck说：“要使用集成光子器件实现这一点，我们需要一颗低噪声激光器。此外，由于要测量的信号不会有很高的强度，我们还需要实现低噪声和高分辨率的检测。这正是我们混合技术的用武之地。”
第二个用例涉及无线通信应用的微波光子学器件。Thales也是终端用户。Jiao说：“对于无线通信来说，频率越高，覆盖范围越小。所以当我们从4G上升到5G或6G时，需要更多的基站。要将信号从基站传送到基站，可以使用光纤。在INSPIRE项目中，我们正在构建一种脉冲发生器，将来自无线信号的信息编码为微波光子信号，然后传入光纤。这项技术对于军用雷达非常有用。”
Augustin介绍称，第三个用例是与剑桥大学一起探索的用于降低数据中心能耗的光开关。从光子学的角度来看，它是一种较为传统的使用案例。“目前的数据中心是全光子的。数据中心和电信应用目前约占我们市场的80%。”
这里的挑战是为同时交换大量数据的全光开关制作新的设计。Heck说：“我们必须能够低损耗地切换多输入多输出。”
Jiao补充道：“我们的目标是打造一种完全集成的器件，只有一个光纤输入接口和一个输出接口，因此需要找到方法将数百个光放大器、相位调制器和波导分配器集成在一个芯片上，同时处理好它们的发热问题。”
机遇
除了这三个用例之外，Jiao和Heck还在考虑第四个用例：光量子处理器。Heck表示：“尽管更多还是一个利基市场，但面向量子技术的单光子源或探测器等应用肯定会成为非常有前景的用例。如果我们能够将磷化铟作为量子通信甚至量子计算的平台化技术，那将是非常棒的。这也很符合我们最近成立的埃因霍温·亨德里克·卡西米尔研究所（Eindhoven Hendrik Casimir Institute）的使命，将电子学、光子学和量子技术结合起来。”
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