一块芯片掰了3000次还能用，MIT造出光子芯片

　　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发布相关论文上，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。

　　让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，并且挡住视线。由于它是透明的，其透明程度存在让眼睛基本感觉不到它的。同时它是柔性的，因为故能够贴合任何曲面。

　　硅光子芯片一直存在这样一个矛盾，它使用光来传输数据和数据，速度非常快，处理也很低，但制造它的材料是硅。硅是不透光的，同时硅片是的，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缺口，切口把整个晶圆翻过来，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甚至硅波导层，甚至比鳄毛丝还细。然后，把这层薄膜贴到一张透明的聚酯膜上，再揭掉临时的缺口，于是它们透明的、能弯折的光子芯片就了。

　　整个过程中最难搞的是紧张管理，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，从而完成了硅片的取消。

　　实验数据也证明了这个方案是可行的，他们测量了惯性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，第二层有点高一些，是12.5分贝每厘米。这个数值和传统刚性硅片上做的同类导波没相差太多，转移过程证明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，结果发现直到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英寸这个尺子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，一个亮度来模拟晶状体，一个光圈来模拟黑洞。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%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，你根本不会觉得面对了隔层迷雾。

　　（来源：光学）

　　他们在实验中还测试了散射，虹人眼感知到的“雾感”。他们使用一个对称分布函数来测量光散射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头上。所显示和真实世界的光线一起进入人类眼睛，彼此互不互连。飞行员头盔上的导航信息也能够这样进行投影，然后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，所以因为它不影响外观。同时也是柔性的，皮肤动的时候也可以跟着动，同时不会设备丢失。

　　目前技术目前还在实验室阶段，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、集成金属电极增加以及更复杂的器件层。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，这些都是十成熟的技术，这种衔接意味着一旦完善工艺优化，量产的一半并高。

　　论文作者第一 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。