新的光子芯片具备完整功能

首次，研究人员在标准芯片上放置了光子滤波器和调制器。悉尼大学的研究人员已经成功将光子滤波器和调制器结合在一个芯片上，以便精确检测广泛的射频（RF）频谱中的信号。这项工作使光子芯片距离有朝一日有可能替代光纤网络中更庞大且更复杂的电子RF芯片又近了一步。

悉尼的研究团队利用了受激布里渊散射技术，这种技术涉及将电场转换成在某些绝缘体中的压力波，比如光纤。2011年，研究人员报告说，布里渊散射在高分辨率滤波方面具有潜力，并开发了新的制造技术，将硫系列（chalcogenide）布里渊波导与硅芯片结合起来。到了2023年，他们成功地将光子滤波器和调制器结合到了同一类型的芯片上。该组合使实验芯片的光谱分辨率达到37兆赫兹，带宽比之前的芯片更宽，该团队在11月20日发表在《自然通讯》杂志上的一篇论文中报道了这一成果。

荷兰特文特大学的纳米光子学研究员大卫·马帕恩表示：“在这里，调制器与这个有源波导的集成是关键突破。” 马帕恩在十年前与悉尼小组合作，并现在领导着自己的研究小组，以不同的方法致力于在微小封装中实现宽带、高分辨率的光子射频灵敏度。马帕恩表示，当有人在100千兆赫的频带上实现亚10兆赫兹的光谱分辨率时，他们将能够在市场上替代更庞大的电子RF芯片。这类芯片的另一个优势是，它们可以将射频信号转换为光信号，直接通过光纤网络进行传输。在那场竞赛中获胜的人将能够进入电信服务提供商和国防制造商这一庞大市场，这些行业需要能够在复杂的射频环境中可靠导航的无线电接收机。

“硫系列有很强的布里渊效应；它很好，但还有一个问题，即这是否可扩展……它仍然被认为是实验室材料，” 马帕恩说。悉尼小组不得不想办法将硫系列波导适应到标准制造的硅芯片的5毫米平方封装中，这并非易事。2017年，该小组找到了将硫系列与硅输入/输出环结合的方法，但直到今年才有人成功地将其与标准芯片结合。

光子芯片是全球努力的结果

其他研究小组正在研究可能提供类似性能的不同材料。例如，铌酸锂具有比硅更好的调制器性能，而马帕恩在一项仍在同行评审中的研究中展示了铌酸锂通过布里渊散射可能提供相当高分辨率的滤波。另一组，由耶鲁大学的彼得·拉基奇（Peter Rakich）领导，去年展示了一个仅使用硅波导和芯片组合就能在6千兆赫兹的频带上实现2.7兆赫兹滤波的方法。该工作没有集成调制器，但它暗示了一种潜在更简单的制造路径，涉及更少的材料。

话虽如此，悉尼小组的方法可能需要硅无法提供的更好的声学性能。研究人员在过去的100多年中一直知道布里渊效应，但近几十年来引起了人们的新兴兴趣。在过去，研究人员曾利用它将信息存储在光脉冲中，然后再传输，这是一种避免将光转换成电并再次转换回去的技巧。

当然，集成光子芯片的梦想有很多组成部分。悉尼的研究人员写道，其他厂家生产的调制器在快速改进，将有助于他们的技术。在相关技术的其他方面的进展可能有利于其他一些致力于集成光子芯片的研究小组。“如果你解决了集成问题、性能问题和实用性问题，你就会获得市场接受，” 马帕恩说。