（文章來源：IEEE）

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，這是第一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。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。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。

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。“我們可以逆向利用所有關于如何減小效應的見解，進一步放大這些效應，并作出更快的響應。”Oded 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。”Oded 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。
? ? ? （責任編輯：fqj）