激光退火把光隔离器直接集成于硅光子芯片

科技日报北京9月14日电 （记者刘霞）日本京瓷公司与东北大学电气通信研究所科学家开发出一种新型激光退火技术。它只加热需要处理的区域，便能把光隔离器直接集成到硅光子芯片上，而不伤及周边组件。相关论文发表于电气电子工程师学会旗下学术期刊《IEEE Access》。

生成式人工智能等数据密集型技术不断演进，数据中心既要少耗能，又要多处理信息。硅光子芯片能用光高效传输数据，正好派上用场。硅光子芯片对于共封装光学（CPO）也很重要。CPO将光学电路和电子电路集成在同一块芯片上，能够缩短信号传输距离，降低信号损耗及功耗，被视为下一代数据中心光互连的关键发展方向。

不过，在这些芯片内的光学电路中，总有部分光会反射回激光源，从而降低性能。光隔离器让光仅单向通过，可挡住这类反射。随着光学电路越做越小、集成度越来越高，对能直接集成在硅光子芯片上的光隔离器的需求也水涨船高。这类隔离器通常依赖磁光石榴石晶体，但后者必须加热到600℃以上才能具备所需性能。可若把整块芯片都加热到如此高温，电极、布线和其他组件都会受损。解决之道是只加热磁光石榴石，不让芯片其余部分过热。

为此，团队开发出一种单片集成技术：用激光退火，只加热芯片上需要处理的那一小块区域，把光隔离器直接集成在硅光子芯片上。激光退火，是用高能激光束快速加热、冷却材料表面，从而改变其微观结构或表面状态的工艺。

具体而言，近红外激光只对准应放置光隔离器的区域。该区域约700微米×700微米，内有磁光石榴石薄膜。局部高温使石榴石结晶，赋予其抑制反射光所需的特性。借助这项技术，团队制出一种基于光干涉的器件，并在实验中证明它能起到光隔离器的作用。他们对比了正向传输的信号光与反向传输的反射光的输出。结果显示，在光通信波长范围内，反射光减少了约95%。电子显微镜观测结果还证实，激光照射区域的磁光石榴石已在硅波导上成功结晶。

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为了防止光“走回头路”拖累性能，需要给硅光子芯片安装一种单向门——光隔离器。但是，做单向门的材料需要历经600℃高温淬炼，芯片上的电极、布线却无法耐受高温。此次，研究团队采用了新方式，只给目标区域“开小灶”，让材料就地结晶，芯片其余部位毫发无损。实验中，光通信波段的反射光被削弱约95%。这项技术让光隔离器从“外挂配件”变成“原生组件”，体积更小、损耗更低。而且，这种定点加热的思路，也可以应用到其他精密制造领域。