運用微發光二極體技術調製奈米線發射器陣列

目錄

1. 簡介與概述

本研究提出了一個突破性的可擴展平台，用於激發奈米光子發射器（特別是半導體奈米線），其核心是採用可獨立定址的CMOS微發光二極體陣列。這項研究解決了從單一元件演示邁向實用晶片系統的兩個根本瓶頸：1) 多個奈米級發射器的確定性、高良率整合，以及 2) 它們的平行、高速電子控制。來自思克萊德大學與澳洲國立大學的團隊展示了一種協同方法，結合了用於奈米線組裝的微轉印技術以及用於光學激發的先進微發光二極體陣列，實現了高達150 MHz的調變速度。

2. 核心技術與方法論

2.1 透過轉印技術實現異質整合

紅外發光半導體奈米線的確定性組裝是透過異質整合技術實現的，主要是微轉印技術。此製程能將預先篩選的奈米線從其生長基板精確地放置到含有預先圖案化聚合物光波導的接收基板上。此方法具有高良率與高位置精確度的優點，這對於建構複雜的光子電路至關重要。此方法超越了傳統「拾取與放置」的限制，實現了不同材料（在矽基平台上的三五族奈米線）的可擴展整合，這正是現代光子學中異質整合相關評論所強調的核心概念。

2.2 作為激發光源的CMOS微發光二極體陣列

激發光源是一項關鍵創新。團隊並未使用笨重的單點雷射或速度緩慢的空間光調變器，而是採用了直接製作在CMOS背板上的微發光二極體陣列。這項由該團隊自身推進的技術，具備一個128x128像素陣列，能夠進行奈秒級脈衝、高達每秒50萬幀的獨立像素控制，以及灰階控制。每個微發光二極體像素都作為對應奈米線發射器的局部光學激發源，實現了真正的電子定址與調變。

3. 實驗結果與效能

3.1 光學調變與速度

微發光二極體像素對波導內嵌奈米線的直接光學激發已成功獲得驗證。該系統使用簡單的開關鍵控，實現了高達150 MHz的光學調變速率。此速度比基於空間光調變器的激發方式（約10 kHz）快上數個數量級，足以滿足許多晶片內光通訊與感測應用的需求。微發光二極體激發源與奈米線發射器之間的調變效率與耦合損耗是關鍵參數，取決於激發光與奈米線主動區的重疊程度以及波導設計。

3.2 多發射器的平行控制

一項重要成果是對多個波導耦合奈米線發射器進行了平行、獨立的控制。透過選擇性啟動CMOS微發光二極體陣列上的不同像素，陣列中的特定奈米線得以被獨立激發。這證明了可擴展定址架構的概念，從單一元件測試邁向系統級功能。此實驗為使用此類陣列來控制更多發射器，以實現複雜的光子積體電路鋪平了道路。

圖示說明

整合系統示意圖： 圖示將展示一個帶有微發光二極體像素二維陣列的CMOS晶片。其上方的聚合物波導層包含一個半導體奈米線陣列，每個奈米線都對齊並定位，以便由下方特定的微發光二極體像素進行光學激發。箭頭表示來自CMOS的獨立電子控制訊號，驅動各個發光二極體，進而激發特定的奈米線，使其發射光進入波導。

4. 技術分析與框架

4.1 核心見解與邏輯流程

本文的核心見解極其簡單卻又強大：將擴展問題解耦。與其試圖讓奈米線實現電驅動並大規模整合（這在材料與製程上是個噩夢），他們讓奈米線保持為純粹、高效的光學發射器。擴展與控制的難題則轉嫁給CMOS微發光二極體陣列，這項技術受益於數十年的CMOS微縮與顯示器產業製造經驗。其邏輯流程是：1) 使用可擴展的轉印技術實現發射器的物理整合，2) 使用可擴展的CMOS陣列進行電子控制與定址，3) 以光作為兩者之間的橋樑。這是系統級思維的典範，讓人聯想到Google TPU架構背後的哲學——使用更簡單、專用的控制層來管理複雜、密集的計算單元。

4.2 優勢與關鍵缺陷

優勢： 此平台的優雅是其最大優勢。微發光二極體陣列是一個現成的、大規模平行的光學定址頭。150 MHz的調變速度雖然未突破雷射的紀錄，但對於許多數位光子積體電路應用已綽綽有餘，並且是透過緊湊的電子驅動器實現的。異質整合的路徑是務實的，利用了現有技術來提高良率。

關鍵缺陷： 我們無需粉飾太平。顯而易見的問題是功率效率與散熱。 光學激發本質上比直接電注入效率低。將電訊號轉換為光（在微發光二極體中）以激發另一個光發射器（奈米線），會引入顯著的斯托克斯位移損耗並產生熱量。對於大規模陣列，這種熱負載可能令人望而卻步。其次，發光二極體像素與奈米線之間的對準與耦合，儘管是「確定性」的，但對於大規模製造而言，仍然是一個必須解決的高精度封裝挑戰。這不是一個單片整合的故事；而是一個混合組裝的故事，伴隨著所有相關的可靠性問題。

4.3 可行見解與策略意涵

對於從事量子光子學、光達或光學計算的研究人員與公司而言，這項工作是一個可供借鑑的藍圖。最直接的可行見解是：採用這種解耦架構來製作複雜發射器陣列的原型。 不要浪費時間從一開始就試圖讓每個奈米線都能電定址。使用商業或客製化的微顯示器作為你的光學「現場可程式化邏輯閘陣列」，來平行測試控制概念與系統功能。

其策略意涵在於，價值正從發射器材料本身轉移到控制介面。掌握高密度、高速CMOS微發光二極體陣列技術（用於此類非顯示器應用）的公司，可能成為下一代光子系統的「內建Intel」。此外，這項工作巧妙地論證了一個未來：光子晶片與電子晶片無需被迫進行痛苦的單片式結合，而是可以成為獨立的、經過最佳化的「小晶片」，透過高效的光學介面相連——這與DARPA主導的CHIPS（通用異質整合與IP重用策略）計畫的願景一致。

5. 未來應用與方向

所展示的平台開啟了幾個引人注目的未來方向：

• 大規模量子光子電路： 可獨立定址的單光子源對於光子量子計算至關重要。此平台可用於控制基於奈米線的量子點發射器陣列，以產生糾纏光子態或饋入可程式化光子電路。
• 高解析度光達與3D感測： 一個密集排列、可獨立調變的光源陣列，可以實現無移動部件的固態閃光光達系統，為自動駕駛車輛與機器人提供更快的幀率與更高的可靠性。
• 神經形態光子學： 以奈秒級時序獨立控制光學發射器陣列的能力，可用於實現光子神經網路，其中每個發射器代表一個神經元，光學連接則代表突觸。
• 晶片內光互連： 作為一個密集的調變光源陣列，此技術可為資料中心或高效能運算系統內的波長分波多工光通訊提供發射器。
• 後續步驟： 未來的工作必須聚焦於提升整體電光轉換效率，可能透過探索共振激發方案或開發具有更低激發閾值的奈米線來實現。將轉印製程擴展到數千個元件並達到近乎完美的良率，是另一個關鍵的工程挑戰。最後，整合波長選擇性元件（如濾波器或光柵）將能在單一晶片上實現波長多工。

6. 參考文獻

1. Bowers, J. E., 等人. "Heterogeneous Integration for Photonics." Nature, 2022. （關於整合技術的評論）
2. Jahns, J., & Huang, A. "Planar integration of free-space optical components." Applied Optics, 1989. （關於微光學整合的早期工作）
3. DARPA. "CHIPS (Common Heterogeneous Integration and IP Reuse Strategies) Initiative." https://www.darpa.mil/program/chips （與小晶片設計相關的計畫）
4. McKendry, J. J. D., 等人. "High-Speed Visible Light Communications Using Individual CMOS-Controlled Micro-LEDs." IEEE Photonics Technology Letters, 2020. （所用微發光二極體技術的背景）
5. Eggleton, B. J., 等人. "Chalcogenide photonics." Nature Photonics, 2011. （先進光子材料的範例）
6. Zhu, J., 等人. "On-chip single nanoparticle detection and sizing by mode splitting in an ultrahigh-Q microresonator." Nature Photonics, 2010. （奈米光子感測的範例）