利用微發光二極管技術調製納米線發射器陣列

目錄

1. 簡介與概述

呢項研究展示咗一個突破性嘅可擴展平台，用於激發納米光子發射器（特別係半導體納米線），採用獨立尋址嘅微發光二極管-互補金屬氧化物半導體陣列。呢個研究解決咗從單一器件演示邁向實用片上系統嘅兩個基本瓶頸：1）多個納米級發射器嘅確定性、高良率集成；2）佢哋嘅並行、高速電子控制。來自思克萊德大學同澳洲國立大學嘅團隊展示咗一種協同方法，結合用於納米線組裝嘅微轉移印刷同用於光泵浦嘅先進微發光二極管陣列，實現咗高達150 MHz嘅調製速度。

2. 核心技術與方法

2.1 透過轉移印刷實現異質集成

發射紅外光嘅半導體納米線嘅確定性組裝，係透過異質集成技術實現嘅，主要係微轉移印刷。呢個過程允許將預先篩選嘅納米線從其生長基板精確放置到包含預製圖案聚合物光波導嘅接收基板上。呢個方法具有高良率同高位置精度，對於構建複雜嘅光子電路至關重要。呢種方法超越咗傳統「拾取與放置」嘅限制，實現咗不同材料（矽基平台上嘅三五族納米線）嘅可擴展集成，呢個概念係現代光子學嘅核心，正如異質集成相關綜述中所強調嘅。

2.2 微發光二極管-互補金屬氧化物半導體陣列作為泵浦源

激發源係一個關鍵創新。團隊唔係使用笨重嘅單點激光器或速度慢嘅空間光調製器，而係採用直接喺互補金屬氧化物半導體背板上製造嘅微發光二極管陣列。呢項由該團隊自身推進嘅技術，具有一個128x128像素陣列，能夠進行納秒級脈衝、高達每秒0.5百萬幀嘅獨立像素控制，以及灰度控制。每個微發光二極管像素充當對應納米線發射器嘅局部光泵浦，實現真正嘅電子尋址同調製。

3. 實驗結果與性能

3.1 光學調製與速度

微發光二極管像素對波導嵌入式納米線嘅直接光泵浦已成功演示。該系統使用簡單嘅開關鍵控實現咗高達150 MHz速率嘅光學調製。呢個速度比基於空間光調製器嘅泵浦（約10 kHz）快幾個數量級，對於許多片內光通信同感測應用嚟講已經足夠。微發光二極管泵浦同納米線發射器之間嘅調製效率同耦合損耗，係由泵浦光同納米線有源區嘅重疊以及波導設計決定嘅關鍵參數。

3.2 多發射器嘅並行控制

一個重要結果係對多個波導耦合納米線發射器嘅並行、獨立控制。通過選擇性激活微發光二極管-互補金屬氧化物半導體陣列上嘅不同像素，陣列中嘅特定納米線被獨立激發。呢個證明咗可擴展尋址架構嘅概念，從單一器件測試邁向系統級功能。呢個實驗為使用此類陣列控制更多發射器以構建複雜光子集成電路鋪平咗道路。

圖示說明

集成系統示意圖： 圖示會展示一個帶有微發光二極管像素二維陣列嘅互補金屬氧化物半導體晶片。其上係一個聚合物波導層，包含一個半導體納米線陣列，每個納米線都對齊並定位，以便由下方特定嘅微發光二極管像素進行光泵浦。箭頭表示來自互補金屬氧化物半導體嘅獨立電子控制信號，驅動各個發光二極管，從而泵浦特定納米線，將光發射到波導中。

4. 技術分析與框架

4.1 核心見解與邏輯流程

論文嘅核心見解簡單直接但威力強大：將擴展問題解耦。佢哋唔係試圖令納米線實現電驅動同大規模集成（呢個係材料同製造嘅噩夢），而係將納米線保持為純粹、高效嘅光發射器。擴展同控制嘅難題則卸載畀微發光二極管-互補金屬氧化物半導體陣列，呢項技術受益於數十年嘅互補金屬氧化物半導體擴展同顯示器行業製造經驗。邏輯流程係：1）使用可擴展印刷實現發射器嘅物理集成；2）使用可擴展互補金屬氧化物半導體陣列進行電子控制同尋址；3）用光將兩者連接起來。呢個係系統級思維嘅典範，令人聯想到Google TPU架構背後嘅哲學——使用更簡單、專門嘅控制層來管理複雜、密集嘅計算單元。

4.2 優勢與關鍵缺陷

優勢： 該平台嘅優雅係其最大優勢。微發光二極管陣列係一個現成嘅、大規模並行光學尋址頭。150 MHz嘅調製速度，雖然未打破激光器嘅紀錄，但對於許多數字光子集成電路應用嚟講已經綽綽有餘，並且係透過緊湊嘅電子驅動器實現嘅。異質集成路徑務實，利用現有技術提高良率。

關鍵缺陷： 我哋唔好粉飾太平。房間裡嘅大象係功率效率同熱量。 光泵浦本質上比直接電注入效率低。將電信號轉換為光（喺微發光二極管中）去泵浦另一個光發射器（納米線），會引入顯著嘅斯托克斯位移損耗同熱量產生。對於大規模陣列，呢個熱負荷可能係難以承受嘅。其次，發光二極管像素同納米線之間嘅對準同耦合，雖然係「確定性」，但仍然係一個精密封裝挑戰，必須為大規模製造解決。呢個唔係一個單片集成嘅故事；佢係一個混合組裝故事，伴隨住所有相關嘅可靠性問題。

4.3 可行見解與戰略意義

對於量子光子學、激光雷達或光計算領域嘅研究人員同公司嚟講，呢項工作係一個可以借鑒嘅藍圖。即刻可行嘅見解係採用呢種解耦架構來原型化複雜發射器陣列。 唔好浪費時間嘗試從一開始就令每條納米線都可以電尋址。使用商業或定制嘅微顯示器作為你嘅光學「現場可編程邏輯閘陣列」，來並行測試控制同系統功能概念。

戰略意義在於，價值正從發射器材料本身轉向控制介面。 掌握用於非顯示應用（例如呢個）嘅高密度、高速微發光二極管-互補金屬氧化物半導體陣列嘅公司，可能成為下一代光子系統嘅「內置英特爾」。此外，呢項工作微妙地論證咗一個未來：光子同電子晶片唔被迫進行痛苦嘅單片結合，而係被允許成為獨立、優化嘅「小晶片」，透過高效光學介面連接——呢個願景與DARPA主導嘅CHIPS（通用異質集成與知識產權重用策略）計劃嘅理念一致。

5. 未來應用與方向

所演示嘅平台開闢咗幾個引人注目嘅未來方向：

• 大規模量子光子電路： 獨立尋址嘅單光子源對於光子量子計算至關重要。呢個平台可用於控制基於納米線嘅量子點發射器陣列，以產生糾纏光子態或饋入可編程光子電路。
• 高分辨率激光雷達同3D感測： 一個密集排列、獨立調製嘅光源陣列，可以實現無活動部件嘅固態閃光激光雷達系統，為自動駕駛汽車同機械人技術提供更快嘅幀率同更高嘅可靠性。
• 神經形態光子學： 以納秒級時序獨立控制光發射器陣列嘅能力，可用於實現光子神經網絡，其中每個發射器代表一個神經元，光學連接代表突觸。
• 片上光互連： 作為一個密集嘅調製光源陣列，呢項技術可以為數據中心或高性能計算系統內嘅波分複用光通信提供發射器。
• 下一步： 未來嘅工作必須專注於提高整體電光轉換效率，可能通過探索共振泵浦方案或開發具有更低泵浦閾值嘅納米線。將轉移印刷過程擴展到數千個器件並實現近乎完美嘅良率，係另一個關鍵嘅工程挑戰。最後，集成波長選擇性元件（例如濾波器或光柵）將實現單一晶片上嘅波長複用。

6. 參考文獻

1. Bowers, J. E., 等人. 「光子學嘅異質集成。」《自然》，2022年。（關於集成技術嘅綜述）
2. Jahns, J., & Huang, A. 「自由空間光學元件嘅平面集成。」《應用光學》，1989年。（關於微光學集成嘅早期工作）
3. DARPA. 「CHIPS（通用異質集成與知識產權重用策略）計劃。」 https://www.darpa.mil/program/chips （與基於小晶片設計相關嘅計劃）
4. McKendry, J. J. D., 等人. 「使用獨立互補金屬氧化物半導體控制微發光二極管嘅高速可見光通信。」《IEEE光子技術快報》，2020年。（所用微發光二極管技術背景）
5. Eggleton, B. J., 等人. 「硫系化合物光子學。」《自然光子學》，2011年。（先進光子材料示例）
6. Zhu, J., 等人. 「透過超高Q值微諧振器中嘅模式分裂進行片上單納米粒子檢測同尺寸測量。」《自然光子學》，2010年。（納米光子感測示例）