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p3试机号 www.eukax.com 荷蘭埃因霍芬理工大學發現用可編程光子新材料,良率提升超4倍

2020-04-07 15:57   77次瀏覽

3月31日消息,據IEEE透露,最近荷蘭埃因霍芬理工大學(Eindhoven University of Technolog)的研究人員發現了一種可轉換的光學材料——氫化非晶硅,能夠加快光子集成電路的研發和生產。這項研究項目的負責人Oded Raz表示,這是個可編程的光子電路,研發人員可以對光子材料本身進行編程和重新設置,并且它不需要任何電力還保持自身的編程狀態。

在研究人員們看來,基于新型可編程材料的可重編程光子電路,將在一定程度上幫助工程師加速開發光子器件。

一、光子集成電路的優勢與開發難點

電子集成電路(IC)是如今許多新技術發展和成熟的關鍵之一。但還有一種叫光子集成電路(PIC)的半導體技術,它是一種基于晶態半導體晶圓,集成有源和無源光子電路,以及單個微芯片上的電子元件,具有低能耗和高運行速度等性能優勢。

但不足的是,目前PIC的制造方法存在大量的可變性,因此許多生產出來的光子器件與實際所需的規格有著輕微偏差,從而也限制了產量。

而解決該問題的一個潛在方法,是開發可重新配置或可編程的PIC,以幫助補償制造過程中產生的任何細微變化。

據了解,可重構PIC的關鍵組成部分是一種光學材料,這種材料的折射率可以在兩種或以上的狀態之間調整。

然而,長期以來研究人員考察的許多可切換的光學材料,需要持續加熱,這意味著它們需要一個恒定的電源和復雜系統來控制這些熱量,并且切換時,其他材料的信號損耗會進一步降低性能。

二、氫化非晶硅可在冷卻中逆轉折射率

埃因霍芬理工大學的研究人員表示,他們發現的可轉換光學材料,能夠避免制造過程中可變性,以及切換性能損耗等不足。

具體地說,這種材料名叫氫化非晶硅,目前主要用于薄膜硅太陽能電池。

研究人員在一個被稱為“Staebler-Wronski效應”的研究中發現,光或熱會改變氫化非晶硅的光學和電學性質,但當它在黑暗中緩慢冷卻后,可以恢復一部分光學性質。

其實這一效應在薄膜硅太陽能電池中是不可取的,但研究人員們推斷,可重構PIC也許可以利用這個特點來彌補切換過程中的性能損耗。

為了驗證推斷,研究人員們將一層薄薄的氫化非晶硅,在近紅外激光中浸泡了100小時以上,然后將它放置在黑暗中緩慢冷卻4個小時。

在這一過程中他們發現,近紅外激光可以使材料的折射率增加0.3%,同時冷卻可以將折射率降低0.3%,實現逆轉。同時,這一變化產生的原因是由于光和熱導致的材料體積膨脹。

緊接著,研究人員利用氫化非晶硅的微觀環(microscopic rings),開發了可重新配置的光學開關。他們發現,光學開關能夠可逆地改變這些器件的折射率,而不增加光學損耗。

此外,在氫化非晶硅獨立膜的實驗中,研究人員還發現這些程序化狀態具有長期穩定性,每種狀態可至少持續一個月。

三、氫化非晶硅可將良率提升至80%

Oded Raz談到,目前行業中有人認為0.3%的折射率變化非常小,光靠這一點無法解決光子器件的所有問題。

但他指出,上世紀80年代有很多關于如何逆轉Staebler-Wronski效應的研究?!拔頤強梢閱嫦蚶盟泄賾諶綰渭跣⌒вΦ募?,進一步放大這些效應,并作出更快的響應?!監ded Raz說。

此外,未來像非晶硅鍺或非晶硅碳等類似的材料,可能會有研究表明它們比氫化非晶硅更擅長進行能量轉換。

在Oded Raz看來,如果未來的研究能夠增強轉換效應的強度,那么PIC的產量也將得到顯著提高。他認為,以前的基本光子元件良率可能在10%到20%之間,而可編程光學材料可將良率提高到50%至80%。

與此同時,產量的提高可反過來減少光子器件的生產制作時間。目前PIC從概念到制造這一過程,可能需要6至9個月的時間,并且由于制造過程存在的可變性,最終產品有可能無法達到研究人員期望的效果。

“這導致研究人員不不得不重復進行實驗和制造?!監ded Raz談到,有了可編程材料,就能大大縮短PIC原型制作的時間。

此外,Oded Raz還提到,在理想情況下,可編程光學材料可以生產FPGA的光子版本,這可能有助于將原型開發時間從一年縮短到大約10小時或兩周。

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