原创 美国研发3D半导体芯片，提升光学信息处理系统性能

美国莱斯大学(Rice University)的研究人员开发出一款微米等级的空间式光调制器 (spatial light modulator，SLM )，号称可将光学信息处理系统性能提升几个等级。

莱斯大学所开发的这种“天线单芯片(antenna on a chip)”类似运用在传感与影像装置中的元件，但不同于那些2D半导体芯片，该芯片可在3D“自由空间(free space )”运作。该校电子与信息工程助理教授徐千帆(Qianfan Xu)表示，这种SLM芯片与目前的尖端技术有显著不同。

“利用这种元件，我们能制作出高良率的超大型阵列；”徐千帆指出：“我们所开发的元件是以硅材料为基础，可在现有商业化CMOS厂房生产，而且能以非常高的速度运作。”他与同仁已在最新的线上科学期刊《Nature》发表其研究成果；而这种天线单芯片可能不适用一般运算领域，但能应用在媲美超级电脑性能的光学处理任务上。

在目前的电脑中，光线是被局限为2D电路，与光波导(waveguide)搭配才能由此处移动到他处；研究团队表示，2D系统无法利用“光学的大量多工(multiplexing)能力”，而事实上，“多重光束能在同一个空间中传导，而且不会相互影响”。传统的整合式光学元件是仰赖像素阵列(an array of pixels)，其传输能以非常快的速度改变；徐千帆表示：“在光束的路径中，可以改变光从另一端出来时的强度与相位。”

莱斯大学所开发的SLM芯片基本上是纳米级的结晶硅(crystalline silicon)肋骨状结构，在与金属电极连结的正/负掺杂(positively and negatively doped)硅板之间形成一个空间(共振腔)。那些“肋骨”的位置会产生纳米等级的“扰动(perturbations)”，并协调共振腔(resonating cavity)与外部的入射光线耦合。

莱斯大学所开发的天线单芯片内部结构显微影像（来源：Xu Group/Rice University）

耦合作用会把入射光线拉进共振腔，而只有红外线会穿透硅；但徐千帆表示，一旦光线被SLM捕获，就能在由芯片这头穿透至另一头的时候被操纵，两个电极之间的电场能以非常高速进行传输的开与关。

徐千帆进一步指出，LED显示器与投影机内的微镜阵列(micromirror arrays)都属于SLM，其内部的镜子会旋转；但虽然SLM是光学系统的基本元件，其开关速度却是受限制的，有部分可达到微秒(microsecond)等级，对显示器与投影机来说很够用，但如果要进行信息处理，在每个像素里放数据，那样的速度就不太行。

据徐千帆表示，莱斯大学所开发的元件具备以10Gbps速度调制信号的潜力：“我们认为这将能大幅提升光学信息处理系统的性能。”研究团队预期，这种自由空间SLM能运用在成像、显示、全像(holographic)、量测以及远距传感等应用领域。

莱斯大学电子与信息工程助理教授徐千帆(最右)与其研究团队成员（来源：Jeff Fitlow/Rice University）

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