全球首颗可编程的光芯片

来自巴伦西亚理工大学光子学研究实验室 (PRL)-iTEAM 的团队和 iPRONICS 公司设计并制造了一款革命性芯片，用于电信领域、数据中心和与人工智能计算系统相关的基础设施。它是全球第一个通用、可编程、多功能的光子芯片。

它将有利于 5G 通信、数据中心、量子计算、人工智能、卫星、无人机和自动驾驶等许多其他应用。

该芯片的开发是由研究员 José Capmany 领导的欧洲项目 UMWP-Chip 的主要成果。该工作已发表在《自然通讯》上。

UPV 和 iPRONICS 团队设计和制造的芯片允许通信网络的无线和光子部分进行按需编程和互连，避免产生限制可用容量和带宽的瓶颈。

“这是世界上第一款具有这些特性的芯片。它可以实现这些系统所需的十二种基本功能，并且可以按需编程，从而提高电路的效率，”Capmany 解释道。

UPV教授解释说，5G或自动驾驶汽车等应用需要更高的频率，因此有必要缩小天线和相关电路的尺寸。在这种情况下，UPV 的 PRL-iTEAM 成功地使天线后面的转换器（接口芯片）尽可能微型和紧凑，并准备好支持当前和预期的未来频段。

该芯片已集成到 iPRONICS 产品 Smartlight 中，沃达丰也已将其用于测试。

“对我们来说，这款芯片的开发是至关重要的一步，因为它可以验证我们的开发成果是否适用于日益严重的问题，即对人工智能计算系统的数据中心和网络中的数据流进行有效管理。我们的下一个目标是iPronics 联合创始人兼首席技术官 Daniel Pérez-López 表示：“我们希望通过扩展芯片来满足这一细分市场的需求。

电子学非常适合执行快速计算，而光子学则非常适合移动信息。然而，后者的一个主要缺点是新型光子集成芯片的开发过程缓慢且成本高昂，阻碍了其广泛使用。如果光子芯片可以针对不同的应用进行重新编程，这将大大降低开发成本，缩短上市时间，并提高其使用的可持续性。

为了运行，可重新编程的光子芯片需要大量高效的电光执行器来切换、分离和过滤穿过它们的光信号。通过引入微机电系统(MEMS) 以及基于液晶的解决方案，研究人员现在正在开发用于大规模可重构光子集成电路 (PIC) 的低功耗构建模块。这种多功能光子芯片有望加快在生物传感、医疗技术和信息处理等各个行业的应用。

在过去的五年里，我们见证了一场真正的电子革命。电子产品现在为社会的许多基本活动提供动力。光子技术现在正在加速发展，以经历类似的繁荣。新兴的 PIC 对于为当今的通信网络和数据中心提供动力越来越重要。与此同时，这些组件的复杂性也在快速增长。现在，单个光子芯片拥有数万甚至数十万个构建块。

然而，与电子芯片领域不同的是，电子芯片领域可以购买现成的芯片并对它们进行编程以在各种应用中执行各种功能，而大多数 PIC 都是特定于应用的。定义芯片上光路的电路是在设计阶段设置的，以获得特定功能的最佳性能，并按设计制造。这使得重新编程没有灵活性，并且几乎不可能将光子芯片重新用于不同的目的。相反，每个新应用都需要新的芯片设计。

光子芯片的设计、制造和测试周期缓慢且成本高昂。芯片制造运行的结果很容易需要 12 个月才能得知。而且由于光子学生态系统尚未像电子学生态系统那样成熟，因此制造的芯片并不总是按预期工作，特别是在非常复杂电路的第一次迭代中。

因此，将一个想法开发成实际产品很容易需要五到六年的时间，具体取决于目标和成功所需的芯片迭代次数。对于想要将光子芯片技术引入新应用领域的创新者来说，这个时间跨度构成了巨大的进入壁垒。如今，PIC 主要用于电信和数据通信环境。尽管用于传感、光谱学、激光雷达和量子信息处理的 PIC 已经有了令人兴奋的演示，但在这些不同的应用领域中基于 PIC 的实际商业产品数量仍然只有个位数。

打破这种僵局并降低进入门槛的一种可能的解决方案是在光子电路中引入可编程性。

我们再看一下电子产品的例子。现场可编程门阵列 (FPGA) 等多用途可编程电子产品一直是消费电子产品创新的关键推动者。光子学需要具有类似使用模式的芯片：购买通用的现成芯片，然后对其进行配置以执行所需的光学功能。像这样的可编程光子芯片可以将新光子产品的原型设计时间从多年缩短到几个月甚至几周。这将极大地促进光子芯片的使用及其应用的多样性。

根特大学、imec 和其他组织正在开展合作项目来创建此类通用可编程光子芯片。与专用芯片一样，这些芯片也面临着一系列新的挑战。

为了使芯片上的光路可配置，需要集成数十万个由电可调移相器控制的光闸。这些移相器可以在不同的光路中引起微小的延迟，从而导致光波的相长或相消干涉，并导致光信号改变其路径。因此，光闸充当耦合两个输入和两个输出的微型开关，具有在 0% 至 100% 范围内连续调整光分裂的附加能力，并且还提供对光学相位的控制。这种完全控制是有代价的：这些基本构建模块需要表现得非常好，因为光必须穿过一长串移相器。

在光子芯片上实现光闸的传统方法是使用微型加热器。这些是靠近波导的微型电加热器。加热波导会改变其光学特性，从而引起相移。尽管这些加热器非常小，但它们每个都消耗许多毫瓦的功率，这使得扩展到非常大的电路变得困难。

2018年，欧盟资助的MORPHIC项目启动，旨在通过先进的波导MEMS增强可编程硅光子电路。MEMS 是小型机械致动器，尺寸为几微米，可以改变两个波导之间的距离。只需维持电容器上的电压，即可以静电方式驱动这些可移动波导。没有静态功耗来维持设备的状态。MEMS 移相器的光学效应非常强。物理移动硅结构使设备能够在光感知的光学环境中产生非常大的变化。

MORPHIC联盟展示了长度仅为60微米且功耗水平为纳瓦级的MEMS移相器和可调谐波导耦合器。尽管这并不是 MEMS 执行器首次与光波导相结合，但 MORPHIC 首次展示了 MEMS 在完整硅光子平台中的集成，且不牺牲平台上其他关键组件的性能，例如高速调制器和锗光电探测器。

这种整合并不那么简单。传统的硅光子波导被封装在二氧化硅和其他电介质的包层内，可移动波导组件必须是独立式的，这意味着它们悬浮在空气或真空中。由 MORPHIC 组成的六家欧洲合作伙伴组成的团队解决了这个问题，方法是局部去除波导下方的支撑层，使其可移动，然后使用晶圆级气密密封方法保护独立式 MEMS 器件。因此，这些器件可以连接到更大的电路中，并使用高密度中介层技术连接到定制设计的多通道驱动器和读出电子器件。从晶圆级加工一直到封装和编程，研究人员证明这些波导 MEMS 执行器可以用作硅光子芯片上的高效光学调谐机制。这一成就需要多学科的努力，其中包括半导体加工；电气、光学和机械设计能力；以及多种包装和组装工艺以及软件例程的开发。

在采用 MEMS 方法的同时，研究人员还在探索液晶用于可编程光子芯片的潜力。液晶材料是双折射的，这意味着它们可以通过使用局部电场重新定向液晶分子来改变其折射率。

在欧洲研究委员会两项资助的支持下，PhotonICSWARM 和 LIQUORICE 项目的研究人员通过在液晶包层中局部嵌入波导，成功地将液晶集成到功能齐全的硅光子芯片上。波导中的光记录液晶分子的局部旋转，可以用附近的电极来驱动液晶分子。由此产生的 50 微米长的移相器使研究人员能够实现 0.8 π 的移相，仅由 5 V 驱动，消耗的功率仅为微瓦。

理想的移相器消耗非常少的电功率，光损耗低，并且具有最小光长度的占用空间。如果移相器提供非常快的纳秒响应时间并且可以通过 CMOS 兼容电压进行控制，也会有所帮助。满足所有这些要求是非常困难的，并且迄今为止，还没有这样理想的移相器的演示。但最近对液晶和 MEMS 器件的合作研究提供了两种有前途的候选技术，研究人员正在使用这些新的移相器来实现更大的可编程电路。

可编程光子学不仅仅是芯片上的光门网络。每个执行器都必须连接到驱动器电子设备，而驱动器电子设备必须使用从片上光电二极管收集的监控信号通过多层软件进行控制。所有这些都必须结合光学、电学、热学和机械封装技术来整合在一起。为了发挥可编程光子学的潜力，必须涵盖技术堆栈中的所有元素。

MORPHIC 于 2022 年完成了其目标，但该联盟在后续项目 PHORMIC 中开启了新篇章。该团队引入了更多合作伙伴来帮助解决构建大规模可编程硅光子芯片的另一个关键问题：将转印光学放大器和光源集成到同一芯片上。

放大器可以帮助克服较大电路中累积的光学损耗，但它们也提供了在芯片本身上设计可编程光源的可能性。

这两个项目的总体目标是开发一个光子平台，在该平台上可以使用单芯片来演示各种光学功能，例如调制或解调不同的光通信格式、读出光学传感器信号或为光通信提供波长滤波器。光谱学应用。结合板载高速调制器和探测器，这种基于芯片的平台还可以实现微波功能，这对于下一代 6G 无线通信网络非常有价值。

使用同一芯片制作不同功能原型的能力可能会改变 PIC 领域的游戏规则，因为它可以实现在电子产品开发中被证明非常成功的同类快速开发模型。

总部位于西班牙巴伦西亚的初创公司 iPronics 最近宣布，它已将首款此类可操作光子处理器商业化，引起了热烈反响。这一成就表明，光子行业正走在正确的道路上，以实现光子集成芯片领域更广泛的采用和创新。