美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室將微型光學(xué)器件集成在硅微芯片上！這種方法使桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室能夠構(gòu)建高帶寬、高速光學(xué)器件，包括磷化銦激光器、鈮酸鋰調(diào)制器、鍺探測(cè)器和低損耗聲光隔離器——這些都是高功率光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。
在硅上制造激光器是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的壯舉，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室認(rèn)為這可能會(huì)擴(kuò)大美國(guó)在半導(dǎo)體技術(shù)方面的領(lǐng)導(dǎo)地位。例如其他機(jī)構(gòu)或組織，包括加州大學(xué)圣巴巴拉分校和英特爾公司，也制造了類似的激光器，但桑迪亞已經(jīng)擴(kuò)大了可集成設(shè)備的類別。這是第一次，這些設(shè)備可以在光學(xué)硅微芯片上一起工作，也稱為光子集成電路。目前激光現(xiàn)在正與其他微型光學(xué)設(shè)備相結(jié)合，使自動(dòng)駕駛汽車更安全，數(shù)據(jù)中心更高效，生物傳感器更便攜，雷達(dá)和其他防御技術(shù)更通用。
實(shí)驗(yàn)晶圓片——在桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室中，一千多個(gè)實(shí)驗(yàn)激光器和放大器“裝飾”著一個(gè)三英寸的鍍金硅晶圓片。
這種方法使桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室能夠構(gòu)建高帶寬、高速光學(xué)器件，包括磷化銦激光器、鈮酸鋰調(diào)制器、鍺探測(cè)器和低損耗聲光隔離器——這些都是高功率光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。
集成硅是邁向未來(lái)生產(chǎn)的關(guān)鍵一步
硅是半導(dǎo)體工業(yè)的命脈，也是制造計(jì)算機(jī)芯片的重要材料。然而，就其本身而言，它是一種制造激光器的糟糕材料。研究人員面臨的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)一種方法，使由多種材料制成的光學(xué)元件在硅微芯片上共存。
這些材料不能簡(jiǎn)單地粘在一起，所以研究人員將它們與硅融合成復(fù)雜的層，這一過(guò)程也被稱為異質(zhì)集成。
桑迪亞研究小組成功地展示了異質(zhì)集成技術(shù)來(lái)制造混合硅器件:由磷化銦和硅制成的混合激光器和放大器，以及由鈮酸鋰和硅制成的類似調(diào)制器，它們?cè)诩す猱a(chǎn)生的光中編碼信息。
此外，在同一平臺(tái)下，高功率和高速鍺探測(cè)器也被開(kāi)發(fā)出來(lái)用來(lái)跟上激光器和調(diào)制器的發(fā)展。
表征激光-桑迪亞科學(xué)家在顯微鏡下將光纖與芯片級(jí)的非均勻集成激光器對(duì)齊。
雖然桑迪亞研究小組成功取得的研究進(jìn)展，但他們表示，在光子芯片開(kāi)始下線之前，他們還需要與行業(yè)合作伙伴進(jìn)一步完善他們的方法。在未來(lái)的研究中，桑迪亞研究小組希望將激光與其他光學(xué)元件結(jié)合到一個(gè)芯片上。
桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建立芯片級(jí)激光器的目標(biāo)是將該技術(shù)轉(zhuǎn)化為工業(yè)。該團(tuán)隊(duì)使用了許多與商業(yè)半導(dǎo)體工廠相同的工具，激光器產(chǎn)生的光波長(zhǎng)通常用于電信行業(yè)，稱為C波段和O波段。
桑迪亞研究小組稱，一旦他們?cè)趪?guó)家實(shí)驗(yàn)室展示了這個(gè)光子平臺(tái)，他們就可以把這項(xiàng)技術(shù)傳遞給美國(guó)公司，在美國(guó)公司他們可以專注于商業(yè)化更大規(guī)模的生產(chǎn)。
桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也在投資光學(xué)微芯片，因?yàn)樗鼈儽葌鹘y(tǒng)芯片傳輸更多的信息。但桑迪亞研究小組稱，制造方面的挑戰(zhàn)阻礙了它們的廣泛采用。盡管這項(xiàng)技術(shù)在科學(xué)界眾所周知，但在大多數(shù)微芯片上，電子技術(shù)仍然占主導(dǎo)地位。
憑借構(gòu)建光子電路的平臺(tái)，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)將自己定位為支持行業(yè)和其他機(jī)構(gòu)在未來(lái)幾年進(jìn)行光子學(xué)研究和開(kāi)發(fā)的引領(lǐng)者。但桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究目前沒(méi)有得到CHIPS法案的資助。桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室希望其他國(guó)家合作，共同開(kāi)發(fā)新技術(shù)。
美國(guó)總統(tǒng)拜登在2022年簽署了《芯片與科學(xué)法案》(CHIPS and Science Act)，這是一項(xiàng)無(wú)黨派的法案，為半導(dǎo)體行業(yè)提供了527億美元的激勵(lì)。雖然這項(xiàng)立法預(yù)計(jì)會(huì)增加美國(guó)制造的計(jì)算機(jī)芯片的產(chǎn)量，但它也會(huì)為光子半導(dǎo)體提供資金。
眾所周知，《芯片與科學(xué)法案》美其名曰是一項(xiàng)美國(guó)產(chǎn)業(yè)撥款和補(bǔ)貼的政策，實(shí)質(zhì)上是打壓中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。法案明確限制相關(guān)企業(yè)在中國(guó)的建投或擴(kuò)建先進(jìn)制造晶圓廠，極大程度阻礙中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，美國(guó)企圖通過(guò)《芯片與科學(xué)法案》將中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“邊緣化”的做法，無(wú)疑是“霸權(quán)行為”。
《芯片與科學(xué)法案》對(duì)中國(guó)的影響，短期導(dǎo)致產(chǎn)能供應(yīng)不安全、產(chǎn)能擴(kuò)張滯后、技術(shù)研發(fā)受制；而長(zhǎng)期則是將中國(guó)企業(yè)排除在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域之外，失去了制定標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)會(huì)。
這只會(huì)刺激加速我國(guó)國(guó)產(chǎn)化替代進(jìn)程，倒逼中國(guó)發(fā)展芯片產(chǎn)業(yè)。中國(guó)正在重建一個(gè)國(guó)內(nèi)大循環(huán)為主體、國(guó)內(nèi)國(guó)際雙循環(huán)相互促進(jìn)的新發(fā)展格局，這將是未來(lái)中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最強(qiáng)健的根基。
