Applied Sciences | 集成光电子技术的核心概念与未来展望

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引言
集成光电子技术是快速发展的领域,将光学和电子学集成在单个微芯片上,改变操控和传输光的方式。使得创造紧凑、高效的光电子器件成为现实,应用范围涵盖了从电信到传感和量子计算等多个领域[1]。
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光电子集成芯片的基础
光电子集成芯片(PIC)是集成光电子技术的核心,利用光信号而非电信号进行操作。PIC的关键组件包括波导、调制器、探测器和光源。
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0 d8 n. @4 Q$ M( c波导是PIC的主干,负责在芯片内部限制和引导光。波导通常由硅、氮化硅或磷化铟等材料制成。波导的设计涉及控制核心和包层材料之间的折射率对比,以确保光能高效传播,损耗最小。
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  C% t0 N. M: p( ]9 d图1:传感区域的横截面视图,展示了波导、隔离层和表面化学位置。
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光学调制器对于将信息编码到光波中很重要。它们通过改变通过的光的强度、相位或偏振来发挥作用。调制器常常利用电光效应或热光效应来实现折射率的快速调制。
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( o& P" r3 C+ P; S4 y! ], ?集成光电子技术中的探测器将光信号转换回电信号。在需要读出数据或进一步处理电子信号的应用中,探测器发挥着关键作用。光电探测器通常由具有高光吸收系数的材料制成,如集成在硅上的锗或铟镓砷等III-V族化合物。

- n# ^; E. |, t4 H5 q光源(包括激光器和发光二极管)在集成光电子技术中扮演着关键角色。将高效、相干的光源集成到光子芯片上一直是一个重大挑战,这主要是由于材料不兼容性和热管理问题。目前,将III-V族半导体激光器键合到硅芯片上的混合集成技术已成为一种流行的方法。

集成光电子技术的材料平台
. b& e8 F/ w- t) o0 }& o% S集成光电子技术的发展利用了几种材料平台,每种平台都为特定应用提供了独特的优势:

硅基光电子：利用成熟的半导体产业,使用硅作为衬底,因其与CMOS制造工艺的兼容性而受到青睐。

氮化硅：提供低光学损耗,且与可见光和近红外波长兼容。

III-V族化合物半导体：具有优越的光学特性,常用于高速通信系统中的光源、探测器和调制器。

铌酸锂：以其出色的电光特性而闻名,特别适用于高速调制器和开关。

二维材料：新兴平台如石墨烯、过渡金属二硫化物和六方氮化硼提供了独特的光学特性,有望实现超紧凑器件。
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, R$ \- ]2 a) a, h图2:二维材料、合成方法及其在集成光电子技术中的应用概述。

* k0 s4 y- a% x/ G: _  F& `制造技术
5 M( X: H; _9 b" N$ A集成光电子技术利用多种制造技术来创造紧凑、高效的光电子器件:

光刻：在半导体衬底上精确形成光学元件的基本方法。技术包括光刻、电子束光刻和纳米压印光刻。

刻蚀：对于塑造波导和微调材料特性至关重要。方法包括反应离子刻蚀和湿法化学刻蚀。

沉积：化学气相沉积和原子层沉积等技术用于创建各种材料的薄膜。

键合：对于将不同材料和组件集成到单个光子芯片上必不可少。
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9 j# k) c$ F5 X; o  R: ]1 _集成光电子技术的应用
6 H1 u0 P. u6 O3 x# q集成光电子技术在多个领域有广泛应用:
1. 传感：PIC使得开发高灵敏度、紧凑的传感器成为可能,用于环境监测、医学诊断和工业自动化。如圖1所示集成波导荧光免疫传感器布局。

2. 光学开关：光通信和网络中的关键组件,允许可重构的信号路由。

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" ^6 ~9 G1 H& v  b0 x: E图3:宽带非易失性混合电光等离子体开关的示意图。
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3. 全光调制器：光通信和信号处理中的关键元素,实现高速数据传输,无需将信号转换为电域。
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图4:利用硅肋状波导结构的全光调制器示意图。
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4. 波导激光器：紧凑型光源,非常适合无缝集成到各种光子系统中。

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: ?5 P) {# H) Y9 R: k, s图5:Nd:YVO4表面包层波导被动调Q激光器操作的实验装置示意图。

人工智能在集成光电子技术中的作用
- b6 a; S* i- _6 Q- U人工智能(AI)和机器学习(ML)算法有望通过增强器件设计、优化和控制过程来彻底改变集成光电子技术。AI可以优化光电子器件的性能,实现前所未有的效率和功能。ML算法可以通过快速探索广阔的设计空间并识别最佳配置来辅助设计复杂的PIC。

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5 ~" f' I. `+ X% @# p: x$ _; ?图6:描述使用神经网络设计光电子集成线路的新方法概述。

' r0 I$ ^# @# Z- M& ^人工神经网络(ANN)通过建立输入参数(如几何形状和材料)与输出光学响应之间的隐式关系,为光子设计提供了一种有力的方法。经过良好训练的ANN简化了复杂且耗时的设计过程,该过程通常依赖于数值模拟和优化。
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6 P) O, |: t1 E* I: t. i# \挑战与未来展望
集成光电子技术取得了重大进展,但仍面临挑战：

材料兼容性：集成具有最佳光学特性的不同材料,同时保持与现有制造工艺的兼容性。

制造精度：在光子结构制造中达到所需的亚波长精度。

热管理：控制温度对器件性能和稳定性的影响。

可扩展性：在单个芯片上集成大量光子组件,同时保持高性能和良率。

光损耗和光纤耦合：有效地将PIC与当前用于电信的光纤网络连接。
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集成光电子技术的未来发展前景广阔,预计将在多个领域取得进展:

光子和电子组件的更深度集成,实现更紧凑、更高效的器件。

材料科学创新,包括新型光子材料的开发和先进制造技术。

支持下一代网络(如6G),实现更快、更可靠的连接。

通过克服电子互连的带宽和热限制,彻底改变数据中心和计算。

在量子技术、生物传感和先进成像系统等领域扩展应用。

随着集成光电子技术生态系统的扩展,包括更广泛的应用和标准化,将为创新应用开辟道路,推动各行业的数字化转型,最终塑造更智能、更互联的世界。

3 ?: x1 t6 r; m1 \& H( b& C9 q综上所述,集成光电子技术代表了变革性技术,结合了光的力量和半导体制造的可扩展性。随着研究人员和工程师继续克服挑战并突破可能性的界限,可以期待集成光电子技术在塑造我们的技术未来中发挥越来越重要的作用。

% V5 G4 w7 p# g参考文献
[1] M. A. Butt and X. Mateos, "Strategic Insights into Integrated Photonics: Core Concepts, Practical Deployments, and Future Outlook," Appl. Sci., vol. 14, no. 6365, pp. 1-26, Jul. 2024.
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