导 读

光子集成电路（PICs）是未来通讯科技的热门发展趋势之一，其概念虽与电子集成电路相似，但集成的是光电器件。这些微型的光子芯片有望显著降低成本，提高速度和效率，目前已被广泛应用在高速光纤通信、自动驾驶、医疗设备、5G/6G网络以及人工智能和光量子计算等领域。

然而，设计和制造光子集成电路的设备成本高昂，通常达到数百万美元，超出了许多大学和研究实验室的财务能力。即使能够使用纳米制造设备，制造的过程也非常耗时，一旦出现设计失误，就必须废弃有故障的产品，从头设计和制造，而整个迭代流程可能需要数天甚至数周。因此，如何以更低的成本实现光子芯片的制造已成为一个至关重要的问题。

华盛顿大学研究团队提出了一种基于激光直写（DLW）的新方法，无需任何昂贵的纳米制造设备，可以在任意场景下，快速、低成本地制造光子集成电路。他们的创新灵感源自于CD和DVD中使用的信息录入原理，即用激光写入器在特殊的相变材料薄膜上进行光子芯片设计的写入、擦除和修改，这一全新的工艺大大提升了制造效率。

该团队领导者Mo Li教授表示，这项技术解决了学生在学习光子集成电路设计的时候无法获得足够实践经验的困境，使得平时昂贵且难以接触到的纳米制造设备被一种更低成本的方案所替代，并且其操作便捷性堪比桌面激光打印机。该方法的推广将改变现有光子芯片领域的教育范式，吸引更多初学者参与实践活动，从而促进创新能力培养和知识传播。

该结果最近以“Freeform direct-write and rewritable photonic integrated circuits in phase-change thin films”为题发表在Science Advances。

直写技术概述

“直写”泛指任何利用计算机设计的模型然后以直接沉积、喷射、烧蚀材料的方式制备平面或三维零件的技术。它是伴随着计算机技术在制造业中应用而诞生的。直写技术最初用于微电子行业中，主要用于代替丝网印刷等工艺制作导线、电阻、电容等无源器件。直写技术在简化厚膜工艺、降低成本和提高效率方面起着很重要的作用。随着直写工艺和材料的发展，直写工艺的特征尺寸进一步缩小，使直写技术在制造领域有了更广泛的应用。

从原理上讲，目前直写技术主要可以分为减成法和加成法。与减成法相比（如激光刻蚀），加成法直写技术具有柔性化程度更高，可实现减成法难以加工的多种复合结构的制备，也是国内外直写技术研究的热点。加成法直写技术一般都具有以下优势：无需掩模，易于成型和修改；加工周期短；可选择材料范围广；材料利用率高；可以用在曲面或大尺寸基板中加工以及进行多层结构的制造。

一般来讲，直写技术可以分为以下几类：

电子束直写技术

利用电子束直接对涂布在基片表面的抗蚀剂曝光通过控制电子束逐点的扫描曝光剂量将衍射光学元件（DOE）轮廓分布表现出来，显影和刻蚀后在基片上得到连续表面轮廓因不需要多次套刻而一次成形地制作连续表面结构的DOE，制作精度和衍射效率都有很大提高，电子束方法制作精度非常高适合亚微米特征尺寸的DOE。

聚焦离子束写入（FIB）

通过聚焦的高能离子束在不同材料如玻璃、石英硅和 GaAs 铣削出亚微米尺寸的微浮雕结构，该方法铣削表面不再需要进一步处理。有关 FIB 技术制作 DOE 的报道还不多，目前该技术还不成熟。

激光直写技术

使用激光束直接在材料表面进行刻写或写入信息的技术。这种技术通常用于制造微电子器件、光学元件、生物芯片等高精度和微观结构的制造过程中。基本原理是利用激光束对材料进行局部加热或光化学反应，从而在材料表面形成所需的结构或图案。这个过程可以通过控制激光束的强度、聚焦和移动来实现对材料的精确加工。与传统的光刻技术相比，激光直写技术具有更高的分辨率和灵活性。

电子束和聚焦离子束直写技术需要极为复杂和昂贵的设备，单片写入时间较长少则十几个小时多则几天，适合高精度单件生产直写技术最大的缺点是很难精确控制轮廓深度。其中激光直写技术兼具直写技术和激光加工技术的优点，受到广泛的关注与研究。

激光“直写”光子芯片

这项研究提出了一种全新概念，能够高效地直接写入、擦除和重写光子集成电路。研究人员采用的核心技术是基于相变材料薄膜的直接激光写入。该方法只需一个光学图案化步骤（optical patterning step）即可写入，无需使用任何传统的光刻和蚀刻工艺。其背后的物理学原理是利用相变材料三硒化二锑（Sb2Se3）的两种非易失性相（非晶态和晶态）之间显著的折射率差，通过光脉冲对其进行可逆切换。

该方法的具体操作过程（图A）：以直接写入功能为例，光子集成电路中不同的组成元件，如波导、环形谐振器、耦合器、马赫-曾德尔干涉仪等都能够被商用激光器“直写”出来。此外，还可以通过加热的方法方便地逆向擦除和重写之前已存在的元件，以完全改变其功能以适应不同的应用场景。

用激光直接写入、擦除和重写光子集成电路

图源：由华盛顿大学电气和计算机工程系提供

三硒化二锑（Sb2Se3）的晶态（cSb2Se3）是高折射率材料，通常作为核心层使用，而非晶态（aSb2Se3）是低折射率材料，可作为包层来实现波导的作用（图B），这样就可以将光场限制在核心层内（图C）。商用激光器的照射可以诱导三硒化二锑从cSb2Se3到aSb2Se3，抑或者逆向地从aSb2Se3到cSb2Se3的受控相变，以直写（图D）或者擦除（图E）形状各异，大小不等的光子芯片。

论文信息

Changming Wu et al. ,Freeform direct-write and rewritable photonic integrated circuits in phase-change thin films.Sci. Adv.10,eadk1361(2024). 

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk1361

转自：先进制造、激光智造应用LIMA

撰稿：赵诗源（巴黎理工学院）

注：文章版权归原作者所有，本文仅供交流学习之用，如涉及版权等问题，请您告知，我们将及时处理。