（文章來源：IEEE）

最近荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)（Eindhoven University of Technolog）的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種可轉(zhuǎn)換的光學(xué)材料——?dú)浠蔷Ч瑁軌蚣涌旃庾?a target="_blank">集成電路的研發(fā)和生產(chǎn)。這項(xiàng)研究項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人Oded Raz表示，這是第一個可編程的光子電路，研發(fā)人員可以對光子材料本身進(jìn)行編程和重新設(shè)置，并且它不需要任何電力還保持自身的編程狀態(tài)。

在研究人員們看來，基于新型可編程材料的可重編程光子電路，將在一定程度上幫助工程師加速開發(fā)光子器件。電子集成電路（IC）是如今許多新技術(shù)發(fā)展和成熟的關(guān)鍵之一。但還有一種叫光子集成電路（PIC）的半導(dǎo)體技術(shù)，它是一種基于晶態(tài)半導(dǎo)體晶圓，集成有源和無源光子電路，以及單個微芯片上的電子元件，具有低能耗和高運(yùn)行速度等性能優(yōu)勢。

但不足的是，目前PIC的制造方法存在大量的可變性，因此許多生產(chǎn)出來的光子器件與實(shí)際所需的規(guī)格有著輕微偏差，從而也限制了產(chǎn)量。而解決該問題的一個潛在方法，是開發(fā)可重新配置或可編程的PIC，以幫助補(bǔ)償制造過程中產(chǎn)生的任何細(xì)微變化。據(jù)了解，可重構(gòu)PIC的關(guān)鍵組成部分是一種光學(xué)材料，這種材料的折射率可以在兩種或以上的狀態(tài)之間調(diào)整。

然而，長期以來研究人員考察的許多可切換的光學(xué)材料，需要持續(xù)加熱，這意味著它們需要一個恒定的電源和復(fù)雜系統(tǒng)來控制這些熱量，并且切換時，其他材料的信號損耗會進(jìn)一步降低性能。埃因霍芬理工大學(xué)的研究人員表示，他們發(fā)現(xiàn)的可轉(zhuǎn)換光學(xué)材料，能夠避免制造過程中可變性，以及切換性能損耗等不足。

具體地說，這種材料名叫氫化非晶硅，目前主要用于薄膜硅太陽能電池。研究人員在一個被稱為“Staebler-Wronski效應(yīng)”的研究中發(fā)現(xiàn)，光或熱會改變氫化非晶硅的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，但當(dāng)它在黑暗中緩慢冷卻后，可以恢復(fù)一部分光學(xué)性質(zhì)。其實(shí)這一效應(yīng)在薄膜硅太陽能電池中是不可取的，但研究人員們推斷，可重構(gòu)PIC也許可以利用這個特點(diǎn)來彌補(bǔ)切換過程中的性能損耗。

為了驗(yàn)證推斷，研究人員們將一層薄薄的氫化非晶硅，在近紅外激光中浸泡了100小時以上，然后將它放置在黑暗中緩慢冷卻4個小時。在這一過程中他們發(fā)現(xiàn)，近紅外激光可以使材料的折射率增加0.3%，同時冷卻可以將折射率降低0.3%，實(shí)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。同時，這一變化產(chǎn)生的原因是由于光和熱導(dǎo)致的材料體積膨脹。

緊接著，研究人員利用氫化非晶硅的微觀環(huán)（microscopic rings），開發(fā)了可重新配置的光學(xué)開關(guān)。他們發(fā)現(xiàn)，光學(xué)開關(guān)能夠可逆地改變這些器件的折射率，而不增加光學(xué)損耗。此外，在氫化非晶硅獨(dú)立膜的實(shí)驗(yàn)中，研究人員還發(fā)現(xiàn)這些程序化狀態(tài)具有長期穩(wěn)定性，每種狀態(tài)可至少持續(xù)一個月。

Oded Raz談到，目前行業(yè)中有人認(rèn)為0.3%的折射率變化非常小，光靠這一點(diǎn)無法解決光子器件的所有問題。但他指出，上世紀(jì)80年代有很多關(guān)于如何逆轉(zhuǎn)Staebler-Wronski效應(yīng)的研究。“我們可以逆向利用所有關(guān)于如何減小效應(yīng)的見解，進(jìn)一步放大這些效應(yīng)，并作出更快的響應(yīng)。”O(jiān)ded Raz說。

此外，未來像非晶硅鍺或非晶硅碳等類似的材料，可能會有研究表明它們比氫化非晶硅更擅長進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。在Oded Raz看來，如果未來的研究能夠增強(qiáng)轉(zhuǎn)換效應(yīng)的強(qiáng)度，那么PIC的產(chǎn)量也將得到顯著提高。他認(rèn)為，以前的基本光子元件良率可能在10%到20%之間，而可編程光學(xué)材料可將良率提高到50%至80%。

與此同時，產(chǎn)量的提高可反過來減少光子器件的生產(chǎn)制作時間。目前PIC從概念到制造這一過程，可能需要6至9個月的時間，并且由于制造過程存在的可變性，最終產(chǎn)品有可能無法達(dá)到研究人員期望的效果。“這導(dǎo)致研究人員不不得不重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和制造。”O(jiān)ded Raz談到，有了可編程材料，就能大大縮短PIC原型制作的時間。

此外，Oded Raz還提到，在理想情況下，可編程光學(xué)材料可以生產(chǎn)FPGA的光子版本，這可能有助于將原型開發(fā)時間從一年縮短到大約10小時或兩周。
? ? ? （責(zé)任編輯：fqj）