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一块芯片掰3000次不坏,MIT造出光子芯片

美国麻省理工团队造出硅光子芯片,透明可弯曲,绕不同直径弯折3000次性能不降,细如牙签才开始衰减。贴皮肤可测心率,嵌在护目镜可导航,做AR镜片与真实世界几乎无感。有望轻化AR眼镜和可穿戴设备。

美国麻省理工学院(MIT)团队和合作者制作了一块芯片,掰了3000次都没有坏,依然还能正常工作。当掰到牙签粗细的直径之时,它的性能才开始出现衰减。这是一款在300毫米标准晶圆上制造的硅光子芯片,由MIT和NY CREATES的研究团队在Optica上发表的相关论文中提出,他们采用标准的半导体制造工艺,制造出了这款能弯、能透光、还能传输数据的光子芯片。

当把这块芯片贴在皮肤上的时候,它能够监测你的心率;当把它嵌在一副佩戴头盔的护目镜里时,它能够投射导航信息;当把它做成AR眼镜的镜片时,所显示的内容会和真实世界叠在一起,并且不挡住视线。由于它是透明的,其透明程度达到了让眼睛基本感觉不到它的存在。同时它是柔性的,因此能够贴合任何曲面。

硅光子芯片一直存在这样一个矛盾:它使用光来传输数据,速度非常快,功耗也很低,但制造它的材料是硅。硅是不透光的,同时硅片是刚硬易碎的,这意味着使用硬硅光子技术造出来的芯片,只能待在硬邦邦的电路板上,无法用在需要弯曲或者需要透光的地方。

可穿戴设备以及AR显示又需要软又透光的东西,MIT团队方案是先按传统工艺在硅片上造好光波导。光波导好比是光子芯片里的“电线”,只是传输光而不是电。他们造了两层左右硅波导,夹在了二氧化硅中间,就像三明治一样,整个结构是在晶圆上完成的,精度非常高,使用的都是半导体工厂里标准的193纳米浸没式光刻和刻蚀设施。

同时,他们贴了一个临时硅片当把手,随后把整个晶圆翻过来,用粗磨和细磨的方式把原来的硅主体磨掉,最终用化学刻蚀把最后60微米清干净。剩下的只有几微米厚的二氧化硅层和氮化硅波导层,甚至比一根头发丝还细。然后,把这层薄膜贴到一张透明的聚酯膜上,再揭掉临时的把手,于是它们透明的、能弯折的光子芯片就诞生了。

整个过程中最难搞的是应力管理,硅片在加工的时候会因为热稍微有点翘曲,如果弯得太厉害,翻面的时候就会起皱甚至是碎裂。他们把加工温度控制在500℃以下,确保晶圆能够保持平整,从而完成了硅片的剥离与转移。

实验数据也证明了这个方案是可行的,他们测量了该硅片的传输损耗大小,发现在637纳米的红光波长下,第一层波导的损耗是9.7到11.7分贝每厘米左右,第二层稍微高一些,是12.5分贝每厘米。这个数值和传统刚性硅片上做的同类波导相差不多,证明转移过程没有引入额外的损耗。

在弯曲实验里,他们把芯片绕在不同直径的圆柱上进行反复弯折,芯片直径从2英寸到0.125英寸,每个直径分别弯了500次,累计弯了3000次,结果发现其光传输性能没有任何下降。而把弯折直径缩小到了0.08英寸,差不多就是牙签的粗细,芯片才开始逐渐出现裂纹,光学性能在几十次弯折后才开始明显下降。而0.08英寸这个尺寸更直观地超出了部分应用场景的需求,毕竟AR眼镜镜片的弯曲程度不会比牙签更夸张。

(来源:光学)

在透明度的测试里,他们制作了一个“仿生眼”,分别用一个虹膜来模拟瞳孔,一个透镜来模拟晶状体,一个图像传感器来模拟视网膜。他们在镜头前放了一个芯片,测试人眼透过芯片看东西时是否会模糊或者失真。

实验结果显示,芯片对于分辨率的影响微乎其微,MTF50(恢复到50%对比度时的空间频率)保持在15个周期每度,和人眼本身的极限分辨率大致一样。换言之,当戴上这块芯片看东西时,你根本不会觉得眼前隔了一层迷雾。

(来源:光学)

他们在实验中还测试了散射,即人眼感知到的“雾感”。他们使用一个双向散射分布函数来测量光穿过芯片之后的散射角度,结果发现大多数的角度下,散射强度在每球面度只有0.1,最差的情况也能低于2.0每球面度,这个程度的散射人眼基本感知不到。

这些特性意味着,透明光子芯片一个最直接的应用是AR。当前的AR眼镜显示大多又重又厚,光学系统使用的是棱镜和半透半反镜,导致体积降不下来。如果用光子芯片,光路能够集成在几微米厚的薄膜里,从而可以直接贴合在普通镜片上。显示的画面和真实世界的光线一起进入人类眼睛,彼此互不干扰。飞行员头盔上的导航信息也能够这样进行投影,而无需再装一套笨重的光学系统。

可穿戴医疗是另一个应用方向,贴在皮肤上的体温监测器以及汗液分析传感器,如果内置光子芯片,数据传输速度会比当前的蓝牙快,功耗相似。因为它是透明的,所以它不影响外观。同时也是柔性的,皮肤动的时候也可以跟着动,同时不会导致设备脱落。

目前该技术还在实验室阶段,离量产还有一定距离。团队自己也列出了需要优化的方向:比如,降低波导损耗、加入主动调制功能、集成金属电极以及开发更复杂的器件层。但是,从工艺角度看,他们使用的全部是半导体工厂里现成的设备,比如193纳米光刻、CVD沉积、CMP抛光、晶圆键合和研磨,这些都是十分成熟的技术,这种衔接意味着一旦完善工艺优化,量产的门槛并不高。

论文第一作者 Tal Sneh告诉媒体,由于他们在300毫米晶圆上做这件事,他们因而有信心大量生产标准化的器件并保证达到标准。300毫米也是半导体行业的工业标准,和内存芯片和处理器用的一模一样。而使用同样的设备以及同样的流程做光子芯片,实际上也是在借用半导体工业的规模化能力。

责任编辑: 宁成月  来源:MIT科技评论 转载请注明作者、出处並保持完整。

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