可用于光子芯片的激光打印机

光子集成电路是下一个重要的技术浪潮。这些精密的微芯片有可能大幅降低成本，提高电子设备在广泛的应用领域（包括汽车技术、通信、医疗保健、数据存储和人工智能计算）中的速度和效率。

光子电路使用光子（光的基本粒子）来移动、存储和访问信息，这与传统电子电路使用电子来达到这一目的的方式基本相同。光子芯片目前已经在先进的光纤通信系统中使用，并且正在开发用于在广泛的近期技术中实施，包括用于自动驾驶汽车的光探测和测距或激光雷达、用于医疗设备的基于光的传感器、5G和6G通信网络、以及光学和量子计算。

鉴于光子集成电路的现有和未来用途广泛，获得可以制造芯片设计的设备以用于学习、研究和工业应用也很重要。然而，今天的纳米制造设施耗资数百万美元建造，远远超出了许多学院、大学和研究实验室的能力范围。

对于那些能够使用纳米制造设施的人来说，至少必须预留一天的时间用于制造这些微芯片的严格而耗时的光刻工艺。此外，如果设计出现错误，或者芯片因其他原因无法正常工作，则必须丢弃有故障的电路，调整设计并制造新的芯片。这通常会导致在洁净室中花费数天甚至数周的时间。

但正如《科学进展》（Science Advances）的一篇新论文所述，华盛顿大学领导的一个研究小组已经设计出一种方法，可以绕过昂贵的纳米制造设施，在几乎任何地方生产光子集成电路。

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使用一种快速，低成本的设备来打印和重新配置光子集成电路（微芯片），其大小与传统桌面激光打印机差不多。

该团队开发了一种创新方法，通过激光写入器将这些电路写入、擦除和修改成相变材料薄膜，类似于用于可记录CD和DVD的材料。这种新工艺允许在纳米制造实验室花费的时间的一小部分内构建和重新配置光子集成电路。

这支多所大学组成的团队由华盛顿大学电气与计算机工程和物理学教授Mo Li领导，他是该系的研究副主席，纳米工程系统研究所的成员，也是这篇论文的资深作者。

Li表示：“光子技术即将到来，因此，我们需要在这个领域培训或教育我们的学生。但是，对于学生来说，学习和实践光子电路，目前，他们需要使用价值数百万美元的设备。这项新技术解决了这个问题。使用我们的方法，以前必须在昂贵且难以进入的设施中制造的光子电路现在可以在实验室、教室甚至车库车间通过快速、低成本的设备进行打印和重新配置，该设备的大小与传统的台式激光打印机相似。”

对学生、研究人员和行业的益处

学生并不是唯一受益于这种制造光子集成电路新方法的人。对于研究人员来说，这一进步将使原型制作和测试新想法的周转时间大大加快，从而节省在纳米制造设施中预订宝贵时间。

对于工业应用而言，这种生产光子集成电路的方法的一大优势是可重构性。例如，公司可能使用这种技术在数据中心创建可重构的光学连接，特别是在支持人工智能和机器学习的系统中，这将导致成本节约和生产效率的提高。

Li的研究团队包括华盛顿大学电子与计算机工程研究生Changming Wu，他是这篇论文的第一作者，并与Li一起提出了这种构建光子集成电路的新方法。华盛顿大学电子与计算机工程研究生Haoqin Deng也为此做出了贡献。他们的研究是华盛顿大学六年研究的最新成果，其中包括光学计算的进步。这也是与马里兰大学Ichiro Takeuchi教授、Carlos A. Ríos Ocampo教授及其学生富有成效合作的延续。

Wu说：“能够仅用一步就写出一个完整的光子电路，而不需要复杂的制造过程，这真的很令人兴奋。而且，我们可以在自己的实验室中对电路的任何部分进行任何修改，并重新编写和重做，这一事实令人惊叹。”“这是几分钟与一整天过程的问题。能够在几分钟内完成整个制造过程，而不是通常需要几天甚至一周的时间，这让人松了一口气。”

提高性能，构建商用设备

该团队开发的方法已被证明是有效的，但它仍然是一个早期概念。然而，Li已经提交了临时专利申请，他正在计划为光子集成电路建造一个台式激光打印机。这种打印机可以以负担得起的价格出售，并广泛分发给世界各地的研究实验室和教育机构。他还与行业领导者合作，以促进这项新技术在可编程光子芯片和可重构光学网络中的可能应用。

这种用于光子芯片的激光打印机将使用一种分级系统，该系统将以比传统台式打印机更精确的方式移动基板。该团队在构建原型时将寻求优化其性能的方法。他们还将通过进一步研究材料科学和激光写入技术，致力于减少他们使用的相变材料中的光学损失。这将使打印机能够生产比目前更详细和复杂的电路。

Li表示，他和他的研究团队对未来感到非常兴奋。

Li教授说：“这项技术可以创造你想要的光子电路，但它也可以添加到现有的电子电路中。而且由于它是可重新配置和可重复使用的，它为学生、研究人员和行业开辟了许多可能性。最让我兴奋的是，我们将有可能在向更广泛的研究界传播这种新工具和技术方面对光子学领域产生巨大影响。”

相关链接：https://phys.org/news/2024-02-team-laser-printer-photonic-chips.html