在當前信息量爆炸的時代，電子芯片算力的增長遠低于人工智能計算需求的增長，以微納光子集成為基礎的光子芯片結合基于光學計算的人工智能數據處理系統將成為應對未來低功耗、高速率、大數據量信息處理能力的關鍵。之前，小編給大家介紹了光子芯片的相關特性，今天，我們給大家介紹一下可以應用在光子芯片的相關材料及相關研究進展。光子芯片使用的材料包括硅、磷化銦、砷化鎵、鈮酸鋰、鉭酸鋰、相變聚合物、二維材料等新型材料。目前較為成熟的材料體系為硅基材料和磷化銦材料。

來源：摩爾芯聞

一、硅

硅是當前光子芯片最常用的材料之一，常用于制造光波導、光調制器、光探測器等光子器件。它在近紅外波段具有較高的透明性，在這個波段對光的吸收非常低，可以減少光信號在傳輸過程中的損耗，保證了信號的長距離傳輸和高質量的信號完整性，但在近紅外波段之外的應用就較為有限。硅具有良好的非線性光學特性，通過二次或三次諧波生成，可以將入射光的頻率翻倍或變為三倍，實現波長的轉換，增加數據傳輸的通道數量，以顯著提升整體的數據吞吐量。光子芯片由于研究時間較短，技術還尚未優化完成，導致其研發、制備成本較高，但用硅制備光子芯片（硅光芯片），可以很好的與傳統電子芯片制造工藝兼容，能夠實現高精度、低成本的制造，促進了光子芯片的商業化應用。北京大學王興軍教授團隊通過直接由半導體激光器泵浦集成微腔光頻梳，為硅基光電子集成芯片提供了所需的光源，完成了大規模集成系統的高效并行化。

來源：三個皮匠報告

二、氮化硅

氮化硅在光子芯片中常用于制作彎曲波導、光分束器、光耦合器等光學元件。氮化硅在可見光到近紅外波段均有很高的透明性和低光吸收，使其非常適合用作光波導材料。氮化硅的折射率可以通過沉積工藝進行調整，通常在1.8-2.2左右，低于硅但高于二氧化硅，適合作為中介折射率材料，與硅波導或二氧化硅波導結合使用可以實現更長的傳輸距離和更高的模式質量，適用于高性能光子芯片。氮化硅薄膜通常具有較低的內應力，有助于減少由于應力引起的波導變形和光學性能退化，也可以作為應力隔離層來減少不同材料層之間的應力差異。瑞士于今年6月研制出有史以來第一個在氮化硅光子集成電路上集成的摻鉺波導激光器，其性能接近于光纖激光器，可用于傳感器、陀螺儀、醫療診斷等領域。

使用雙層氮化硅波導工藝的全集成受激布里淵微波光子信號處理系統

三、III-V族化合物半導體材料

III-V族化合物半導體材料在光子芯片中扮演著關鍵角色，它們通常用于制造激光器、光放大器和光探測器等。接下來將集中介紹III-V族化合物半導體材料中的兩種代表性材料砷化鎵和磷化銦。

（1）砷化鎵：砷化鎵是一種特殊的半導體材料，它的直接帶隙較寬，約為1.4電子伏特，可以在長波長范圍內高效的發射和吸收光子。基于這一特點，砷化鎵可以實現更高的數據傳輸速率、較少的能量損耗、有效的信號質量提升，因此它常被用于制造高功率激光器、放大器和探測器。同時，砷化鎵與硅工藝的兼容性較好，可以實現光電混合集成，制成高性能的光電系統。

（2）磷化銦：磷化銦是一種具有優異光電性能的半導體材料，它的直接帶隙約為1.35電子伏特，可以在短波長范圍內進行光子的發射和吸收。磷化銦的電子遷移率比砷化鎵低，但它擁有非常豐富的非線性光學特性，可以在短波長區域實現波長轉換、光信號放大；它擁有良好的電光性能，使它可以通過施加電場來改變光的傳播特性，因此它常用于制備高速光調制器、光開關和光探測器。今年，香港科技大學設計出橫向縱橫比捕獲技術，解決了III-V族器件與硅的不匹配問題，使兩者的耦合更加高效。

全球磷化銦產業圖（來源：Photondelta）

四、晶體材料

晶體材料因具有高透明度、良好的熱穩定性、較強的機械強度等特點，在光子芯片的設計和制造中具有非常豐富的應用潛力。下面將介紹兩種代表性晶體材料鈮酸鋰和鉭酸鋰。

（1）鈮酸鋰：鈮酸鋰是一種具有非線性光學效應的晶體材料，可用于制造光調制器、波長轉換器等光子芯片器件。它的直接帶隙約為2.2電子伏特，常用在長波長的光通信元件中。基于其顯著的電光效應^*1和非線性光學特性，它在光通信、光信號處理、生物傳感的光子芯片中有著較強的應用。目前，我國山東恒元已自主研制出12英寸大尺寸光學級鈮酸鋰晶體，是國際上首次報道的超大尺寸鈮酸鋰晶體，為鈮酸鋰的大規模國產光電集成芯片奠定了基礎。

*1電光效應：當給晶體施加電場時，光波的傳播速度會在光傳播方向與電場方向垂直時發生變化，光波的折射率也因此而改變，利用這個現象可以實現對光波的強度調制或相位調制。

（2）鉭酸鋰：鉭酸鋰是一種具有顯著聲光效應^*2的晶體材料，相較鈮酸鋰，它的熱穩定性更好，可以減少溫度對光學性能的影響，在高溫環境下會更為可靠。其直接帶隙約為2.0電子伏特，常用于短波長的光通信。鉭酸鋰的聲光效應比鈮酸鋰更為顯著，使得它在超快光學和激光技術中具有更加廣泛的應用前景。今年4月，中科院開發出鉭酸鋰異質集成晶圓，為鉭酸鋰低成本、規模化制造夯實了基礎。

*2聲光效應：當在晶體中引入聲波，光波會在頻率接近的聲波發生布里淵散射，使光波的傳播速度發生變化，利用這種效應可以產生并控制光脈沖，從而實現對波長的選擇、信號處理。

鈮酸鋰集成光子器件示意圖（來源：中國知網）

光子芯片具有高速、低能耗等優勢，能夠有效突破傳統集成電路的物理極限，滿足新一輪科技革命中人工智能、物聯網、云計算等產業對信息獲取、傳輸、計算、存儲的技術要求。但目前的關鍵是要不斷優化光子芯片的相關技術，加快光子芯片的產業化應用，才能在未來全球芯片領域實現彎道超車。

參考文獻：

1、范智斌,陳澤茗,周鑫,何辛濤,江紹基,董建文.氮化硅光子器件與應用研究進展[J].中國光學（中英文）.

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4、張夢然.光子芯片上摻鉺波導激光器面世[N].科技日報.

5、杜楊.恒元光電“長”出12英寸“光學硅”晶體[N].經濟導報.

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