像搭积木一样造光子芯片？这项研究给出答案

这类超薄薄膜可以直接放置在芯片上任何需要发挥其特殊光学特性的位置。这套模块化材料框架面向光子电路，未来可应用于人工智能系统、光子计算或量子信息技术领域。

当前绝大多数计算机芯片，也就是传统集成电路，依靠半导体材料与金属结构中的电子传输信号。与之不同，光子集成电路采用光子这种速度更快的信号载体。过去数十年里，学术界与产业界持续探索如何将各类光子材料集成到芯片之上。借助片上光互联带来的高速数据传输能力，研究人员希望打造面向人工智能系统、光子计算、共封装光学（CPO）以及新型传感、量子技术的新一代芯片。

AI算力爆发推动数据中心内部、芯片之间的互联带宽需求持续攀升，传统铜线互联在带宽、功耗、延迟上已经触及天花板，“光进铜退”成为行业共识。硅光子凭借成熟的CMOS兼容制造工艺，成为产业界落地片上光互联的主流路线，台积电、博通、英伟达等企业都在布局CPO共封装光学方案。但硅材料本身存在先天短板：硅的电光效应弱，无法实现高性能电光调制；也不具备磁光非互易特性，难以直接制作光隔离器。产业界的主流解决思路是异质集成，把具备不同光学功能的材料与硅、氮化硅光子平台结合。然而，晶格失配、生长温度不匹配、材料之间工艺不兼容等问题，长期制约着异质光子集成的落地，这正是圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院研究团队试图解决的难题。

“我们开发了一套制备工艺，让我们在设计这类新型光子芯片时拥有更大自由度。”麦凯尔维工程学院机械工程与材料科学助理教授Sang-Hoon Bae表示。Bae是这项研究的共同通讯作者，该成果发表于《自然》期刊，主题为多功能光子电路的模块化材料框架。

Bae的合作者、电气与系统工程系Edwin H. & Florence G. Skinner讲席教授杨兰（Lan Yang）是项目联合负责人，也是集成光子学领域国际顶尖专家。Bae介绍，早在加入华盛顿大学之前，他就希望与杨兰开展合作。历经数年攻关，团队找到了合适的工艺与材料体系，为光子芯片赋予全新能力。

“硅光子学为我们打下了坚实基础，数十年的投入积累了成熟的芯片制造与设计体系。”杨兰说，“异质集成技术可以在这个基础上引入新材料，实现硅本身无法完成的光调控与光探测。这一点对于拓展集成光子的应用边界至关重要。”

“利用光子打造高性能芯片，是行业最有吸引力的方向之一。”Bae评价道。但在此之前，核心瓶颈始终落在材料层面：如何找到能够兼容现有芯片架构，同时最大化光子集成性能的功能材料。

在这篇新论文中，团队详细介绍了材料开发过程，并展示了其在光子系统中的应用效果。“我们实现了速度更快的调制、高效的光隔离，还实现了宽光谱光探测，整套功能套件得到完整验证。”Bae说。

该技术框架的核心思路是：将自支撑单晶纳米膜转移到预先制备完成的硅、氮化硅光子芯片上，在成熟光子平台上新增丰富的光学功能。华盛顿大学研究团队避开了直接在硅衬底上外延生长材料所固有的各类限制。他们制备出多种超薄薄膜，如同取用一套材料工具箱，可以直接把薄膜放置在芯片上需要电学、磁学或光学特性的位置。这套框架如同光子乐高，给技术研发人员设计支撑现代信息系统的光子电路提供了更多选择。

“每一种材料都有自身独特优势。”杨兰解释，“我们先单独生长高质量晶体，再把晶体转移到已成型的光子电路上。这样一来，我们可以根据所需功能自由挑选材料。我们还可以将多种材料横向拼接或者纵向堆叠，在单个器件中融合多项功能。”

研究团队展示了多个典型器件案例：

单晶钛酸钡（BTO）纳米膜可以实现高效电光调制，弥补硅电光效应不足的短板；

钴铁氧体（CFO）纳米膜带来非互易光调控能力，用于光子芯片内部的光隔离；

砷化镓与氮化镓纳米膜横向集成在氮化硅平台上，借助片上不同器件，实现从紫外到近红外特定波段的光探测；

钛酸钡与钴铁氧体薄膜堆叠在硅微环谐振器之上，同时融合电光与磁光功能，面向多功能光子应用。

Bae与杨兰表示，这仅仅是研究的起点。现在研究人员掌握了将不同功能材料集成到同一光子平台的新方法，光子系统设计拥有更多选择。研发人员可以根据每一类应用场景的需求，组合不同材料。

从产业格局来看，当前光子异质集成存在多条技术路线。部分方案采用晶圆键合，工艺成熟但成本高、集成密度受限；也有路线尝试直接外延生长，却受晶格匹配约束，可选材料种类有限。而这套单晶纳米膜转移方案，属于范德华集成路线，不要求材料之间晶格匹配，理论上可以兼容大量不同功能的单晶薄膜。它允许材料在最优衬底上完成外延生长，再剥离转移到光子芯片上，把材料生长与光子芯片制造解耦。

不过客观来看，该成果目前仍处于实验室原理验证阶段，距离产业量产还有不少工程难题需要攻克：大面积薄膜转移的对准精度、良率控制、界面缺陷、长期可靠性，以及多层薄膜堆叠带来的热管理问题，都需要持续迭代。即便如此，模块化的光子积木思路，契合CPO、光子计算、量子光子芯片对多材料多功能集成的产业需求，为下一代光子芯片提供了一条可行的技术路径。