導(dǎo) 讀

光子集成電路（PICs）是未來通訊科技的熱門發(fā)展趨勢之一，其概念雖與電子集成電路相似，但集成的是光電器件。這些微型的光子芯片有望顯著降低成本，提高速度和效率，目前已被廣泛應(yīng)用在高速光纖通信、自動(dòng)駕駛、醫(yī)療設(shè)備、5G/6G網(wǎng)絡(luò)以及人工智能和光量子計(jì)算等領(lǐng)域。

然而，設(shè)計(jì)和制造光子集成電路的設(shè)備成本高昂，通常達(dá)到數(shù)百萬美元，超出了許多大學(xué)和研究實(shí)驗(yàn)室的財(cái)務(wù)能力。即使能夠使用納米制造設(shè)備，制造的過程也非常耗時(shí)，一旦出現(xiàn)設(shè)計(jì)失誤，就必須廢棄有故障的產(chǎn)品，從頭設(shè)計(jì)和制造，而整個(gè)迭代流程可能需要數(shù)天甚至數(shù)周。因此，如何以更低的成本實(shí)現(xiàn)光子芯片的制造已成為一個(gè)至關(guān)重要的問題。

華盛頓大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于激光直寫（DLW）的新方法，無需任何昂貴的納米制造設(shè)備，可以在任意場景下，快速、低成本地制造光子集成電路。他們的創(chuàng)新靈感源自于CD和DVD中使用的信息錄入原理，即用激光寫入器在特殊的相變材料薄膜上進(jìn)行光子芯片設(shè)計(jì)的寫入、擦除和修改，這一全新的工藝大大提升了制造效率。

該團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)者M(jìn)o Li教授表示，這項(xiàng)技術(shù)解決了學(xué)生在學(xué)習(xí)光子集成電路設(shè)計(jì)的時(shí)候無法獲得足夠?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)的困境，使得平時(shí)昂貴且難以接觸到的納米制造設(shè)備被一種更低成本的方案所替代，并且其操作便捷性堪比桌面激光打印機(jī)。該方法的推廣將改變現(xiàn)有光子芯片領(lǐng)域的教育范式，吸引更多初學(xué)者參與實(shí)踐活動(dòng)，從而促進(jìn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)和知識(shí)傳播。

該結(jié)果最近以“Freeform direct-write and rewritable photonic integrated circuits in phase-change thin films”為題發(fā)表在Science Advances。

直寫技術(shù)概述

“直寫”泛指任何利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的模型然后以直接沉積、噴射、燒蝕材料的方式制備平面或三維零件的技術(shù)。它是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在制造業(yè)中應(yīng)用而誕生的。直寫技術(shù)最初用于微電子行業(yè)中，主要用于代替絲網(wǎng)印刷等工藝制作導(dǎo)線、電阻、電容等無源器件。直寫技術(shù)在簡化厚膜工藝、降低成本和提高效率方面起著很重要的作用。隨著直寫工藝和材料的發(fā)展，直寫工藝的特征尺寸進(jìn)一步縮小，使直寫技術(shù)在制造領(lǐng)域有了更廣泛的應(yīng)用。

從原理上講，目前直寫技術(shù)主要可以分為減成法和加成法。與減成法相比（如激光刻蝕），加成法直寫技術(shù)具有柔性化程度更高，可實(shí)現(xiàn)減成法難以加工的多種復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備，也是國內(nèi)外直寫技術(shù)研究的熱點(diǎn)。加成法直寫技術(shù)一般都具有以下優(yōu)勢：無需掩模，易于成型和修改；加工周期短；可選擇材料范圍廣；材料利用率高；可以用在曲面或大尺寸基板中加工以及進(jìn)行多層結(jié)構(gòu)的制造。

一般來講，直寫技術(shù)可以分為以下幾類：

電子束直寫技術(shù)

利用電子束直接對涂布在基片表面的抗蝕劑曝光通過控制電子束逐點(diǎn)的掃描曝光劑量將衍射光學(xué)元件（DOE）輪廓分布表現(xiàn)出來，顯影和刻蝕后在基片上得到連續(xù)表面輪廓因不需要多次套刻而一次成形地制作連續(xù)表面結(jié)構(gòu)的DOE，制作精度和衍射效率都有很大提高，電子束方法制作精度非常高適合亞微米特征尺寸的DOE。

聚焦離子束寫入（FIB）

通過聚焦的高能離子束在不同材料如玻璃、石英硅和 GaAs 銑削出亞微米尺寸的微浮雕結(jié)構(gòu)，該方法銑削表面不再需要進(jìn)一步處理。有關(guān) FIB 技術(shù)制作 DOE 的報(bào)道還不多，目前該技術(shù)還不成熟。

激光直寫技術(shù)

使用激光束直接在材料表面進(jìn)行刻寫或?qū)懭胄畔⒌募夹g(shù)。這種技術(shù)通常用于制造微電子器件、光學(xué)元件、生物芯片等高精度和微觀結(jié)構(gòu)的制造過程中�；�本原理是利用激光束對材料進(jìn)行局部加熱或光化學(xué)反應(yīng)，從而在材料表面形成所需的結(jié)構(gòu)或圖案。這個(gè)過程可以通過控制激光束的強(qiáng)度、聚焦和移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對材料的精確加工。與傳統(tǒng)的光刻技術(shù)相比，激光直寫技術(shù)具有更高的分辨率和靈活性。

電子束和聚焦離子束直寫技術(shù)需要極為復(fù)雜和昂貴的設(shè)備，單片寫入時(shí)間較長少則十幾個(gè)小時(shí)多則幾天，適合高精度單件生產(chǎn)直寫技術(shù)最大的缺點(diǎn)是很難精確控制輪廓深度。其中激光直寫技術(shù)兼具直寫技術(shù)和激光加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛的關(guān)注與研究。

激光“直寫”光子芯片

這項(xiàng)研究提出了一種全新概念，能夠高效地直接寫入、擦除和重寫光子集成電路。研究人員采用的核心技術(shù)是基于相變材料薄膜的直接激光寫入。該方法只需一個(gè)光學(xué)圖案化步驟（optical patterning step）即可寫入，無需使用任何傳統(tǒng)的光刻和蝕刻工藝。其背后的物理學(xué)原理是利用相變材料三硒化二銻（Sb2Se3）的兩種非易失性相（非晶態(tài)和晶態(tài)）之間顯著的折射率差，通過光脈沖對其進(jìn)行可逆切換。

該方法的具體操作過程（圖A）：以直接寫入功能為例，光子集成電路中不同的組成元件，如波導(dǎo)、環(huán)形諧振器、耦合器、馬赫-曾德爾干涉儀等都能夠被商用激光器“直寫”出來。此外，還可以通過加熱的方法方便地逆向擦除和重寫之前已存在的元件，以完全改變其功能以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

用激光直接寫入、擦除和重寫光子集成電路

圖源：由華盛頓大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程系提供

三硒化二銻（Sb2Se3）的晶態(tài)（cSb2Se3）是高折射率材料，通常作為核心層使用，而非晶態(tài)（aSb2Se3）是低折射率材料，可作為包層來實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的作用（圖B），這樣就可以將光場限制在核心層內(nèi)（圖C）。商用激光器的照射可以誘導(dǎo)三硒化二銻從cSb2Se3到aSb2Se3，抑或者逆向地從aSb2Se3到cSb2Se3的受控相變，以直寫（圖D）或者擦除（圖E）形狀各異，大小不等的光子芯片。

論文信息

Changming Wu et al. ,Freeform direct-write and rewritable photonic integrated circuits in phase-change thin films.Sci. Adv.10,eadk1361(2024). 

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk1361

轉(zhuǎn)自：先進(jìn)制造、激光智造應(yīng)用LIMA

撰稿：趙詩源（巴黎理工學(xué)院）

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