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    光子集成电路（PICs）是将来通信科技的热点成长趋向之一，其观点虽与电子集成电路相似，但集成的是光电器件。这些微型的光子芯片有望显著降低成本，提高速率及效率，今朝已经被广泛运用于高速光纤通讯、主动驾驶、医疗装备、5G/6G收集以和人工智能及光量子计较等范畴。

然而，设计及制造光子集成电路的装备成本昂扬，凡是到达数百万美元，凌驾了很多年夜学及研究试验室的财政能力。纵然可以或许利用纳米制造装备，制造的历程也很是耗时，一旦呈现设计掉误，就必需烧毁有妨碍的产物，重新设计及制造，而整个迭代流程可能需要数天甚至数周。是以，怎样以更低的成本实现光子芯片的制造已经成为一个至关主要的问题。

华盛顿年夜学研究团队提出了一种基在激光直写（DLW）的新要领，无需任何昂贵的纳米制造装备，可以于肆意场景下，快速、低成当地制造光子集成电路。他们的立异灵感源自在CD及DVD中利用的信息录入道理，即用激光写入器于非凡的相变质料薄膜长进行光子芯片设计的写入、擦除了及修改，这一全新的工艺年夜年夜晋升了制造效率。

该团队带领者Mo Li传授暗示，这项技能解决了学生于进修光子集成电路设计的时辰没法得到充足实践经验的困境，使患上日常平凡昂贵且难以接触到的纳米制造装备被一种更低成本的方案所替换，而且其操作便捷性堪比桌面激光打印机。该要领的推广将转变现有光子芯片范畴的教诲范式，吸引更多初学者介入实践勾当，从而促成立异能力造就及常识流传。

该成果近来以 Freeform direct-write and rewritable photonic integrated circuits in phase-change thin films 为题发表于Science Advances。

直写技能概述

直写 泛指任何使用计较机设计的模子然后以直接沉积、喷射、烧蚀质料的方式制备平面或者三维零件的技能。它是陪同着计较机技能于制造业中运用而降生的。直写技能最初用在微电子行业中，重要用在取代丝网印刷等工艺建造导线、电阻、电容等无源器件。直写技能于简化厚膜工艺、降低成本及提高效率方面起着很主要的作用。跟着直写工艺及质料的成长，直写工艺的特性尺寸进一步缩小，使直写技能于制造范畴有了更广泛的运用。

从道理上讲，今朝直写技能重要可以分为减成法及加成法。与减成法比拟（如激光刻蚀），加成法直写技能具备柔性化水平更高，可实现减成法难以加工的多种复合布局的制备，也是海内外直写技能研究的热门。加成法直写技能一般都具备如下上风：无需掩模，易在成型及修改；加工周期短；可选择质料规模广；质料使用率高；可以用于曲面或者年夜尺寸基板中加工以和举行多层布局的制造。

一般来说，直写技能可以分为如下几类：

电子束直写技能

使用电子束直接对于涂布于基片外貌的抗蚀剂暴光经由过程节制电子束逐点的扫描暴光剂量将衍射光学元件（DOE）轮廓漫衍体现出来，显影及刻蚀后于基片上获得持续外貌轮廓因不需要屡次套刻而一次成形地建造持续外貌布局的DOE，建造精度及衍射效率都有很年夜提高，电子束要领建造精度很是高合适亚微米特性尺寸的DOE。

聚焦离子束写入（FIB）

经由过程聚焦的高能离子束于差别质料如玻璃、石英硅及 GaAs 铣削出亚微米尺寸的微浮雕布局，该要领铣削外貌再也不需要进一步处置惩罚。有关 FIB 技能建造 DOE 的报导还有未几，今朝该技能还有不可熟。

激光直写技能

利用激光束直接于质料外貌举行刻写或者写入信息的技能。这类技能凡是用在制造微电子器件、光学元件、生物芯片等高精度及微不雅布局的制造历程中。基来源根基理是使用激光束对于质料举行局部加热或者光化学反映，从而于质料外貌形成所需的布局或者图案。这个历程可以经由过程节制激光束的强度、聚焦及挪动来实现对于质料的切确加工。与传统的光刻技能比拟，激光直写技能具备更高的分辩率及矫捷性。

电子束及聚焦离子束直写技能需要极其繁杂及昂贵的装备，单片写入时间较长少则十几个小时多则几天，合适高精度单件出产直写技能最年夜的错误谬误是很难切确节制轮廓深度。此中激光直写技能兼具直写技能及激光加工技能的长处，遭到广泛的存眷与研究。

激光 直写 光子芯片

这项研究提出了一种全新观点，可以或许高效地直接写入、擦除了及重写光子集成电路。研究职员采用的焦点技能是基在相变质料薄膜的直接激光写入。该要领只需一个光学图案化步调（optical patterning step）便可写入，无需利用任何传统的光刻及蚀刻工艺。其暗地里的物理学道理是使用相变质料三硒化二锑（Sb2Se3）的两种非易掉性相（非晶态及晶态）之间显著的折射率差，经由过程光脉冲对于其举行可逆切换。

该要领的详细操作历程（图A）：以直接写入功效为例，光子集成电路中差别的构成元件，如波导、环形谐振器、耦合器、马赫-曾经德尔干预干与仪等都可以或许被商用激光器 直写 出来。此外，还有可以经由过程加热的要领利便地逆向擦除了及重写以前已经存于的元件，以彻底转变其功效以顺应差别的运用场景。

用激光直接写入、擦除了及重写光子集成电路

图源：由华盛顿年夜学电气及计较机工程系提供

三硒化二锑（Sb2Se3）的晶态（cSb2Se3）是高折射率质料，凡是作为焦点层利用，而非晶态（aSb2Se3）是低折射率质料，可作为包层来实现波导的作用（图B），如许就能够将光场限定于焦点层内（图C）。商用激光器的照射可以引诱三硒化二锑从cSb2Se3到aSb2Se3，抑或者者逆向地从aSb2Se3到cSb2Se3的受控相变，以直写（图D）或者者擦除了（图E）外形各别，巨细不等的光子芯片。

论文信息

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

转自：进步前辈制造、激光智造运用LIMA

撰稿：赵诗源（巴黎理工学院）

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