MIT研究人员开发出微型光子芯片 实现超快激光技术微型化

MIT研究人员开发出微型光子芯片实现超快激光技术微型化激光在日常生活中已相对普遍，但除了在狂欢派对上提供灯光表演和扫描杂货上的条形码外，激光还有很多用途。激光在电信、计算以及生物、化学和物理研究领域也具有重要意义。在后一种应用中，能够发射超短脉冲的激光器尤其有用，这种激光器的脉冲为万亿分之一秒（1皮秒）或更短。利用在如此小的时间尺度上工作的激光，研究人员可以研究极快发生的物理和化学现象--例如，化学反应中分子键的生成或断裂，或者材料内部电子的运动。这些超短脉冲还广泛用于成像应用，因为它们的峰值强度极大，但平均功率较低，因此可以避免加热甚至烧毁生物组织等样本。在《科学》杂志上发表的一篇论文中，加州理工学院电子工程与应用物理学助理教授阿里雷扎-马兰迪（AlirezaMarandi）介绍了他的实验室开发的一种在光子芯片上制造这种激光器（称为锁模激光器）的新方法。这种激光器使用纳米级元件（纳米是十亿分之一米）制造，可以集成到光基电路中，类似于现代电子产品中的电基集成电路。铌酸锂制成的纳米光子锁模激光器发出一束绿色激光。资料来源：加州理工学院马兰迪说："我们感兴趣的不仅仅是让锁模激光器更加紧凑。我们很高兴能在纳米光子芯片上制造出性能良好的锁模激光器，并将其与其他元件结合在一起。到那时，我们就能在集成电路中构建一个完整的超快光子系统。这将把目前属于米级实验的超快科学和技术财富带到毫米级芯片上"。超快激光与诺贝尔奖的认可这类超快激光器对研究工作非常重要，今年的诺贝尔物理学奖授予了三位科学家，以表彰他们开发出能产生阿秒脉冲的激光器（一阿秒等于一秒的五十亿分之一）。然而，这种激光器目前极其昂贵和笨重，马兰迪指出，他的研究正在探索在芯片上实现这种时间尺度的方法，这种芯片可以便宜很多，体积也更小，目的是开发出价格合理、可部署的超快光子技术。他说："这些阿秒级实验几乎都是用超快锁模激光器完成的。其中一些实验的成本可能高达1000万美元，而其中很大一部分就是锁模激光器的成本。我们很高兴能考虑如何在纳米光子学中复制这些实验和功能。"马兰迪实验室开发的纳米光子锁模激光器的核心是铌酸锂，这是一种具有独特光学和电学特性的合成盐，在这种情况下，可以通过应用外部射频电信号来控制和塑造激光脉冲。这种方法被称为腔内相位调制主动锁模。"大约50年前，研究人员在桌面实验中使用腔内相位调制来制造锁模激光器，并认为与其他技术相比，这种方法并不十分合适，"论文第一作者、前马兰迪实验室博士后郭秋实（音译）说。"但我们发现它非常适合我们的集成平台"。"除了体积小巧之外，我们的激光器还表现出一系列引人入胜的特性。例如，我们可以在很宽的范围内精确调节输出脉冲的重复频率。我们可以利用这一点来开发芯片级稳定频率梳状源，这对于频率计量和精密传感来说至关重要，"现任纽约城市大学高级科学研究中心助理教授的郭补充道。未来目标和研究影响马兰迪说，他的目标是继续改进这项技术，使其能够在更短的时间尺度和更高的峰值功率下运行，目标是达到50飞秒（飞秒是十万亿分之一秒），这将是他目前设备的100倍改进，目前设备产生的脉冲长度为4.8皮秒。介绍这项研究的论文题为"纳米光子铌酸锂中的超快锁模激光器"，发表在11月9日的《科学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398911.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398911.htm

光子学技术新突破：科学家用微型芯片产生高质量微波信号

光子学技术新突破：科学家用微型芯片产生高质量微波信号盖塔实验室开发的光子集成芯片的高级示意图，该芯片用于全光学光分频（OFD）--一种将高频信号转换为低频信号的方法。图片来源：YunZhao/哥伦比亚工程学院这种芯片非常小巧，可以装在锋利的铅笔尖上，是迄今为止在集成光子平台上观察到的最低微波噪声。这项成果为高速通信、原子钟和自动驾驶汽车等应用提供了一条通往小尺寸超低噪声微波发生器的光明之路。用于全球导航、无线通信、雷达和精密计时的电子设备需要稳定的微波源作为时钟和信息载体。要提高这些设备的性能，关键在于减少微波中存在的噪声或相位随机波动。"在过去的十年中，一种被称为光分频的技术产生了迄今为止噪音最低的微波信号，"哥伦比亚工程学院应用物理和材料科学大卫-M-里基教授兼电气工程教授亚历山大-盖塔说。"通常情况下，这样的系统需要多个激光器和相对较大的体积来容纳所有元件。"光分频--一种将高频信号转换为低频信号的方法--是最近产生微波的创新技术，其中的噪声已被大大抑制。然而，由于光分频系统占用桌面空间较大，因此无法用于微型传感和通信应用，而这些应用需要更紧凑的微波源，因此光分频系统已被广泛采用。盖塔说："我们已经实现了一种设备，只需使用单个激光器，就能在面积小至1平方毫米的芯片上完全实现光分频。我们首次展示了无需电子设备的光学分频过程，大大简化了设备设计。"量子和非线性光子学：创新的核心盖塔的研究小组专门研究量子和非线性光子学，即激光如何与物质相互作用。研究的重点领域包括非线性纳米光子学、频率梳生成、强超快脉冲相互作用以及光量子态的生成和处理。在目前的研究中，他的研究小组设计并制造了一种片上全光学器件，该器件能产生16GHz的微波信号，其频率噪声是迄今在集成芯片平台上实现的最低频率噪声。该设备使用两个由氮化硅制成的微谐振器，通过光子耦合在一起。单频激光器泵浦两个微谐振器。其中一个用于产生光参量振荡器，将输入波转换成两个输出波--一个频率较高，一个频率较低。两个新频率的频率间隔被调整为太赫兹频率。由于振荡器的量子相关性，这种频率差异的噪声可比输入激光波的噪声小数千倍。第二个微谐振器经调整后可产生具有微波间隔的光频梳。然后，振荡器发出的少量光被耦合到梳状频率发生器，从而使微波梳状频率与太赫兹振荡器同步，自动实现光分频。潜在影响和未来应用盖塔研究小组的工作代表了一种在小型、坚固和高度便携的封装内进行光学分频的简单而有效的方法。这些研究成果为芯片级设备打开了大门，这些设备能够产生稳定、纯净的微波信号，可与进行精密测量的实验室产生的信号相媲美。他说："最终，这种全光分频将带来未来电信设备的新设计。它还能提高用于自动驾驶汽车的微波雷达的精度。"编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425719.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425719.htm

研究人员创造新型铌酸锂-氮化硅激光器

研究人员创造新型铌酸锂-氮化硅激光器铌酸锂是一种经常被用于光学调制器的材料，用于调节通过设备传输的光的频率或强度。因其管理大量光功率的能力和高"波克尔斯系数"而受到高度重视。这使得该材料在被施加电场时能够改变其光学特性。研究人员通过将铌酸锂与氮化硅相结合实现了他们的突破，这使他们能够生产一种新型的混合集成可调谐激光器。为此，该团队在EPFL制造了基于氮化硅的光的集成电路（"光子集成电路"），然后在IBM将其与铌酸锂晶圆粘合在一起。该研究中开发的芯片。资料来源：GrigoriiLikhachev(EPFL)这种方法产生了一种具有低频率噪声（衡量激光器频率稳定程度的标准）的激光器，同时具有快速的波长调谐功能--这对于用于光探测和测距（LiDAR）应用的激光器来说都是很好的品质。然后，他们进行了一个光学测距实验，用该激光器高精度地测量距离。除了集成激光器，该混合平台还有可能实现用于电信的集成收发器以及用于量子计算的微波-光学传感器。领导该项目的EPFL方面的TobiasJ.Kippenberg教授说："这项成果的显著之处在于，该激光器同时提供了低相位噪声和每秒百万赫兹的快速调谐，这是以前从未用这种芯片级集成激光器实现的。"这项研究得到了地平线2020框架计划、瑞士国家科学基金会和空军科学研究办公室的资助。芯片样品是在EPFL的微纳技术中心（CMi）和IBM研究院的Binnig和Rohrer纳米技术中心（BRNC）制作的。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1356589.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1356589.htm

基于钽酸锂的新型光子集成电路技术提高了成本效益和可扩展性

基于钽酸锂的新型光子集成电路技术提高了成本效益和可扩展性钽酸锂光子集成电路最近，绝缘体上的铌酸锂晶圆平台因其强大的波克尔斯系数而成为光子集成电光调制器的上佳材料。然而，高昂的成本和复杂的生产要求使得铌酸锂无法得到更广泛的应用，限制了其商业集成。钽酸锂（LiTaO3）是铌酸锂的近亲，有望克服这些障碍。钽酸锂（LiTaO3）与铌酸锂的近亲钽酸锂（LiTaO3）有望克服这些障碍。钽酸锂具有类似的优异电光质量，但在可扩展性和成本方面比铌酸锂更具优势，因为它已被电信行业广泛用于5G射频滤波器。现在，EPFL的TobiasJ.Kippenberg教授和中国科学院上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）的欧欣教授领导的科学家们创建了一种基于钽酸锂的新型PIC平台。这种PIC充分利用了材料的固有优势，使高质量PIC更加经济可行，从而改变了这一领域。这一突破发表在5月8日的《自然》杂志上。研究人员为钽酸锂开发了一种与硅绝缘体生产线兼容的晶片键合方法。然后，他们用类金刚石碳掩蔽了薄膜钽酸锂晶片，并着手蚀刻光波导、调制器和超高品质因数微谐振器。蚀刻是通过结合深紫外线（DUV）光刻技术和干蚀刻技术实现的，这些技术最初是针对铌酸锂开发的，后来经过仔细调整，用于蚀刻硬度更高、惰性更强的钽酸锂。这种调整包括优化蚀刻参数，以尽量减少光损耗，这是实现光子电路高性能的关键因素。利用这种方法，研究小组能够制造出高效率的钽酸锂PIC，其电信波长的光损耗率仅为5.6dB/m。另一个亮点是电光马赫-泽恩德调制器（MZM），这是当今高速光纤通信中广泛使用的一种设备。钽酸锂MZM的半波压长积为1.9Vcm，电光带宽达到40GHz。"在保持高效电光性能的同时，我们还在这一平台上生成了孤子微蜂窝，"该研究的第一作者王成利说。"这些孤子微蜂窝具有大量的相干频率，与电光调制功能相结合，特别适用于并行相干激光雷达和光子计算等应用"。钽酸锂PIC的双折射（折射率对光的偏振和传播方向的依赖性）降低，可实现密集的电路配置，并确保在所有电信频段都具有广泛的操作能力。这项工作为可扩展、经济高效地制造先进的电子光学PIC铺平了道路。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430650.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430650.htm

"转化产业" - 基于光的铌酸锂芯片技术可能激发月球导航和下一代农业的发展

"转化产业"-基于光的铌酸锂芯片技术可能激发月球导航和下一代农业的发展皇家墨尔本理工大学的杰出教授ArnanMitchell和阿德莱德大学的AndyBoes博士带领这个全球专家团队在《科学》杂志上回顾了铌酸锂的能力和潜在应用。这个国际团队，包括来自北京大学和哈佛大学的科学家，正在与工业界合作制造导航系统，计划在这十年晚些时候帮助漫游车在月球上行驶。这种芯片只有指甲盖大小，是在铌酸锂的薄膜上制成的。它可以被用于一系列的应用，包括在电信领域，使我们的互联网更快。由于不可能在月球上使用全球定位系统（GPS）技术，月球车的导航系统将需要使用一个替代系统，这就是该团队的创新之处。米切尔说，通过检测激光的微小变化，铌酸锂芯片可以用来测量运动，而不需要外部信号。"这不是科幻小说--这种人造晶体正被用于开发一系列令人兴奋的应用。而利用这种多功能技术的潜力的竞争正在升温，"综合光子学和应用中心主任米切尔说。虽然月球导航装置还处于早期开发阶段，但铌酸锂芯片技术已经"成熟到可以用于太空应用"。"我们的铌酸锂芯片技术也很灵活，足以迅速适应几乎所有使用光的应用，"米切尔说。"我们现在专注于导航，但同样的技术也可用于将月球上的互联网与地球上的互联网连接起来。"什么是铌酸锂，它可以如何使用？铌酸锂是一种人工晶体，最早发现于1949年，但现在"又开始流行了"。铌酸锂在光子学--光的科学和技术--领域有新的用途，因为与其他材料不同，它可以产生和操纵从微波到紫外线频率的全光谱的电磁波。硅是电子电路的首选材料，但它的局限性在光子学中已变得越来越明显。铌酸锂由于其卓越的能力而重新流行起来，制造方面的进展意味着它现在可以随时作为半导体晶圆上的薄膜使用。一层比人的头发还要薄1000倍的铌酸锂可以被放在半导体晶圆上。光子电路被印在铌酸锂层中，根据芯片的预期用途进行定制。一个指甲大小的芯片可能包含数百个不同的电路。Mitchell说，该团队正在与澳大利亚的AdvancedNavigation公司合作创建光学陀螺仪，其中激光在光纤线圈中以顺时针和逆时针方向发射。根据爱因斯坦的相对论，随着线圈的移动，光纤在一个方向比另一个方向略短。光子芯片足够敏感，可以测量这种微小的差异，并利用它来确定线圈的移动情况。观察者如果能跟踪运动，那么就知道你相对于其开始的地方在哪里，这被称为惯性导航"。这项技术还可用于远程检测水果的成熟度。成熟的水果发出的气体会被光谱中的中红外部分的光吸收。一架在果园中盘旋的无人机将向另一架无人机传输光线，后者将感知光线被吸收的程度以及水果何时可以采摘。这种微芯片技术比目前的技术更小、更便宜、更准确，可用于非常小的无人机，不会损害果树。光子芯片现在可以改变远远超出传统上只有光纤通信应用的行业。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1345123.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1345123.htm

九峰山实验室8寸硅光薄膜铌酸锂光电集成晶圆下线

九峰山实验室8寸硅光薄膜铌酸锂光电集成晶圆下线薄膜铌酸锂由于出色的性能在滤波器、光通讯、量子通信、航空航天等领域均发挥着重要作用。但铌酸锂材料脆性大，大尺寸铌酸锂晶圆制备工艺困难，铌酸锂微纳加工制备工艺也一直被视为挑战。目前，业界对薄膜铌酸锂的研发还主要集中在3寸、4寸、6寸晶圆的制备及片上微纳加工工艺上。九峰山实验室工艺中心基于8寸SOI硅光晶圆键合8寸铌酸锂晶圆，单片集成光电收发功能，成功破解了这一难题。九峰山实验室表示，近年来，由于5G通信、大数据、人工智能等行业的强力驱动，光子集成技术得到极大关注。铌酸锂以其大透明窗口、低传输损耗、良好的光电/压电/非线性等物理性能以及优良的机械稳定性等被认为是理想的光子集成材料，而单晶薄膜铌酸锂则为解决光子集成芯片领域长期存在的低传输损耗、高密度集成以及低调制功耗需求提供了至今为止综合性能最优的解决方案。据悉，湖北九峰山实验室于2021年由湖北省人民政府正式批复组建，实验室面向世界科技前沿，面向国民经济主战场和国家重大需求，以建设先进的化合物半导体研发和创新中心为愿景，在中国光谷建立起全球一流的化合物半导体工艺、检测基础设施，打造公共、开放、共享的科研平台。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1422252.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1422252.htm