以成熟度來看，盡管光學整合技術大約較電子整合落后30年，但它仍是一種快速進展的技術。光學整合在2000年的網絡泡沫化時代歷經最佳的發(fā)展，當時約有數百萬種用于光纖網絡的被動光學組件開始被整合于以硅制造的平面光波電路（PLC）中。

　　如今，有多種成熟的材料平臺可用于無晶圓廠（Fabless）的芯片開發(fā)，每一種都具有不同的卓越特性：PLC的優(yōu)點是低損耗和低成本被動電路；硅（Si）的優(yōu)點在于高密度和CMOS兼容性；磷化銦（InP）能夠在芯片上產生以及放大光路；而氮化硅（Si3N4）則具有低損耗和高密度的特性。

　　圖1：以氮化硅（Si3N4）制造的光子芯片，適合帶有金屬微型加熱器的感測應用

　　雖然磷化銦和硅平臺通常針對作業(yè)于C波段（約1550nm）和O波段（約1310nm）的光纖通訊波長范圍進行了優(yōu)化，但PLC和氮化硅則能作業(yè)于低至400nm的可見光波長范圍，目前有許多感測和生物醫(yī)學應用都作業(yè)于這一范圍。

　　在選擇了能夠滿足目標應用要求的材料平臺后，設計人員接著還必須選擇一家特定的代工廠，或是讓有經驗的IC設計公司（如VLC Photonics）協(xié)助選擇。光子芯片設計的第一步是根據波導幾何形狀確定沿著電路傳導的光學模式。

　　圖2：整合于硅光子微芯片上的精巧型量子光學干擾儀

　　在這個階段通常會執(zhí)行全面的頻域分析，計算色散、群速、群指數、傳播損耗、有效折射率等光學參數，并考慮某些邊界條件（如周期性、對稱、非對稱與金屬特性等）。常用方法是有限差分（FD）、薄膜模式匹配（FMM）、有限元素法（FEM）、關聯(lián)法或高斯模式光纖解算器等，目前已有多種建置這些方法的商用軟件工具，如PhoeniX Software或Photon Design等。

　　下一步是這些光模型沿著組成電路的組件進行傳播。雖然可采用多種方法（BEP、特征模式擴張、傳遞矩陣、分離-階躍），但最常用的方法是光束傳播方法（BPM）和時域中的有限差分（FDTD）方法。

　　第一種方法用于緩慢變化的非均勻波導結構（如錐體、彎管、耦合器）中的光線傳播，可以在近軸途徑下實現(xiàn)純量（scalar）或向量（vector）總場（而非模場）的單向或雙向傳播。

　　圖3：磷化銦平臺復雜的微波光子芯片布局

　　第二種FDTD方法是與時間相關的Maxwell等式在網格上的一種離散表現(xiàn)，透過將系統(tǒng)的時間變化響應進行傅利葉轉換為輸入，并在單次模擬中擷取到較寬帶寬的響應。這是一種真正全向性的方法，但具有運算密集的特性，通常要求高度優(yōu)化。

　　一旦這兩個步驟完成后，就可以在時域或頻域上進行完整的電路仿真。不僅能實現(xiàn)光子電路的功能性設計驗證，還能優(yōu)化組件及其聯(lián)機能力，以及評估容差與虛擬實驗。

　　同樣地，市場上有好幾種這方面的商用工具，如Filarete的ASPIC或VPIcomponentMaker，設計公司也能協(xié)助為模擬每個階段選擇最合適的工具，或是檢查所需要的建模和模擬工作。

　　圖4：不同的光波導幾何形狀

　　最后一步是在光子的計算機輔助設計（CAD）工具中布局電路，輸出具有分層信息的標準GDSII檔案。在此使用參數化芯片和光罩布局非常重要，因為這能避免任何可能影響連續(xù)性的人工繪制或布局錯誤，以簡化布線作業(yè)。大多數光學代工廠提供的制程設計套件（PDK）可用于其平臺上實現(xiàn)最常用的建構模塊，如連接光纖端口的直線波導（帶和條）、彎管、多模干擾耦合器、光柵耦合器和邊緣耦合器，以及光電二極管、半導體光學放大器、調變器、加熱器和DBR或DFB激光器等主動組件。

　　這種PDK使用標準語言以及透過PDA標準流程的統(tǒng)一架構，支持多家EDA供貨商工具之間的互操作性，其中的構建模塊通常包括參數化組件布局，也稱之為pCell。

　　由于制造光子芯片需要大量的時間與資成本，設計公司也提供自家的設計庫，？補強其代工廠PDK，并協(xié)助設計驗證和規(guī)則檢查，這對于降低整個開發(fā)風險至關重要。

　　圖5：在光子磷化銦芯片上制造的完整的微型光束控制系統(tǒng)

　　總之，在整個設計過程結束時，不僅要將布局設計交給代工廠，隨后還必須在制造的晶粒上進行光學表征，并將設計模型反饋至仿真工具中，以驗證系統(tǒng)功能和制造容差。

　　在開發(fā)最終需要投產的任何復雜系統(tǒng)時，這對于反復優(yōu)化光子電路可說是關鍵的一步。當制造的芯片數量超過一定值時，建議利用測試公司提供的自動化表征裝置和量測設備，以便加快進程，并獲得可靠和一致的信息。

　　最后，在設計光子芯片時還有許多其它因素要考慮，如測試要求、封裝標準或最佳實踐，以及特殊的設計要求、快捷方式和以及每家具體代工廠有關的優(yōu)化等。

　　設計公司通常不僅提供設計，還提供測試服務，例如VLC Photonics可支持在所有主要的材料平臺上開發(fā)任何的光子芯片，過去十年來在整個無晶圓廠生態(tài)系統(tǒng)中也收獲甚豐。

　　圖6：以硅光子開發(fā)的中階光柵波分多任務器，瞄準光數據通訊應用