《KAIST团队发现突破性光学耦合机制,将半导体集成度提高100倍》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: husisi
  • 发布时间:2023-10-18
  • 近日,韩国科学技术院(KAIST)电气电子工程系教授Sangsik Kim领导的研究小组宣布,他们发现了一种实现密集光子集成的新途径。

    三星电子总裁Kwang-Hyung Lee表示,上述研究小组发现了一种光学耦合机制,可以将光学半导体器件的集成度提高100倍以上。

    集成光半导体(Integrated optical semiconductor)术是将激光雷达、量子传感器、计算机等复杂的光学系统集成到单个小芯片上的新一代半导体技术,全球范围内正进行大量的研究和投资。

    在现有的半导体技术中,以5nm或2nm为单位制造的关键是它有多小,但提高光学半导体器件的集成度可以说是决定性能、价格和能效的关键技术。

    每个芯片可以配置的元件数量的程度称为集成度。然而,由于光的波动性质,相邻器件之间的光子之间会发生串扰,因此提高光学半导体器件的集成度非常困难。

    在以前的研究中,只有在特定的极化下才能减少光的串扰。但在这项研究中,研究小组通过发现一种新的光耦合机制,开发了一种方法,即使在极化条件下也可以提高集成程度,这在以前被认为是不可能的。

    该研究由美国德州理工大学的Sangsik Kim教授作为通讯作者主导,以他所教的学生为对象进行,发表在《自然》(Nature)杂志上。

    Sangsik Kim教授表示:“这项研究的有趣之处在于,它矛盾地消除了以前认为会增加串音的漏波(光倾向于向侧面传播)的混乱。”

    他还补充称:“如果应用利用此次研究结果揭示的漏波的光耦合方法,将有可能开发出体积更小、噪音更低的各种光学半导体器件。”

    Sangsik Kim教授是在光学半导体集成领域的专业知识和研究得到认可的研究员。通过他之前的研究,他开发了一种全介电超材料,可以通过在小于波长的尺寸上对半导体结构进行图像化来控制光的横向扩散程度,并通过实验证明了这一点,从而提高了光学半导体的集成度。

    这些研究发表在《自然通讯》和《光学》杂志上。由于这些成就,Sangsik Kim教授获得了美国国家科学基金会(NSF)颁发的NSF事业奖和韩裔美国科学家和工程师协会颁发的青年科学家奖。

    同时,本研究得到了韩国国家研究基金新卓越研究项目和美国国家科学基金的支持。

相关报告
  • 《我国碳基半导体制备材料取得关键性突破》

    • 来源专题:集成电路
    • 编译者:shenxiang
    • 发布时间:2020-05-31
    • 我国碳基半导体制备材料取得关键性突破 出自:中国电子报 5月26日,北京元芯碳基集成电路研究院宣布,由该院中国科学院院士北京大学教授彭练矛和张志勇教授带领的团队,经过多年研究与实践,解决了长期困扰碳基半导体材料制备的瓶颈,如材料的纯度、密度与面积问题。他们的这项研究成果已经被收录在今年5月22日的《科学》期刊“应用物理器件科技”栏目中。 目前,大到航空航天、金融保险、卫生医疗等领域,小到智能手机、家用电器等数码家电所使用芯片绝大部分采用硅基材料的集成电路技术,该项技术被国外厂家长期垄断,国内电子产品所需要的芯片则大多依赖进口。据统计,中国每年进口芯片的花费高达3000亿美元,甚至超过了进口石油的花费。 “采用硅以外的材料做集成电路,包括锗、砷化钾、石墨烯和碳,一直是国外半导体前沿的技术。而碳基半导体则具有成本更低、功耗更小、效率更高的优势,更适合在不同领域的应用而成为更好的半导体材料选项。我们的碳基半导体研究是代表世界领先水平的。”彭练矛院士说。 以企业应用为例:与国外硅基技术制造出来的芯片相比,我国碳基技术制造出来的芯片在处理大数据时不仅速度更快,而且至少节约30%的功耗。碳基技术在不久的将来可以应用于国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多重领域。由于碳基材质的特殊性,它能让电路做到像创可贴一样柔软,这样的柔性器械,如果应用于医疗领域将使患者拥有更加舒适的检查体验;因碳基材质特点,在一些高辐射、高温度的极端环境里,采用碳基技术制造出的机器人将更好的代替人类执行危险系数更高的任务;谈到个人应用:碳基技术若应用到智能手机上,因其拥有更低的功耗,将使待机时间更加延长。“现在我们用手机看电影3个小时的可能就没电了。若将手机植入碳基技术的芯片,至少可以看上9个小时的电影都不会断电,且手机开多少个程序都不会出现卡顿。”北京元芯碳基集成电路研究院研发部负责人许海涛说。 据了解,碳基技术也是发达国家一直研发预替代硅基的新技术。由于我国碳基技术起步较早,目前的技术是基于二十年前彭练矛院士提出的无掺杂碳基CMOS技术发展而来,近年来取得了一系列突破性的进展,极大地提升了我国在世界半导体行业的话语权。 
  • 《突破 | “强场超快光学”创新研究群体在片上集成超宽带定向耦合器研究取得重要进展》

    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:胡思思
    • 发布时间:2024-12-11
    • 2024年12月5日,《Laser& Photonics Reviews》在线发表了陆培祥教授带领的“强场超快光学”创新研究群体在片上集成超宽带定向耦合器方面取得的最新研究成果 Ultrabroadband Light Coupling for Integrated Photonics via Nonadiabatic Pumping。 光学定向耦合器利用光在波导之间的耦合实现光的分束和合束,是光子系统中最基本的光学元件之一,在片上光互联和光子集成等方面具有重要应用价值。传统光学定向耦合器主要基于两根并列波导之间的倏逝场耦合实现,然而由于波导结构的材料和模式色散,其工作带宽往往在100 nm以下,极大限制了工作带宽和信息传输容量,使得在波分复用、高速光互联等方面的应用存在物理瓶颈。尽管现有的一些实验方案提出了通过绝热输运、拓扑保护等原理提高光学定向耦合器的工作带宽,然而波导模式的绝热演化通常需要较长(100~1000μm)的波导结构,不利于实现高集成度的片上宽带光传输和耦合器件。 针对这一关键问题,刘为为、王兵等提出基于非绝热拓扑泵浦实现片上超宽带定向耦合器的新机制。研究团队利用片上光波导构建了Aubre-Andre-Harper (AAH)模型,并在其中研究了非绝热情况下的光模式演化特性。研究发现,光波导模式的非绝热转换会降低不同模式的传播相位色散,使得波导阵列输出端模式在很宽的波长范围内能够保持与输入端模式近乎相同的相位分布,从而可以实现高效、宽带的边界态转换。基于该原理,研究团队在薄膜铌酸锂平台上构建了波导阵列结构并开展了实验研究。结果表明,绝热拓扑泵浦定向耦合器的1dB工作带宽可超过320 nm,即覆盖所有光通信波段,而耦合长度仅为50 μm,仿真计算表明该非绝热拓扑泵浦原理也适用于硅等高色散材料波导结构。进一步,研究团队在定向耦合器的基础上构建了多级光分束器,实现了宽带片上光分束和光路由,表明该方案在宽带集成的片上光互联和光网络方面具有重要应用前景。 图. (a)定向耦合器显微图像;(b)非绝热拓扑泵浦定向耦合器与传统双波导定向耦合器的测试结果对比;(c)基于非绝热拓扑泵浦的宽带多级光分束器;(d)4级和(e)8级宽带片上集成光分束器的测试结果