光子集成芯片（PIC）是一個(gè)包含兩個(gè)或更多光子元件的微芯片，形成一個(gè)功能電路，因此也稱為光子芯片。

光子組件利用光子（或光的粒子），而不是電子。由于它們以光速移動(dòng)，光子具有很寬的帶寬和最小的能量損失，使它們既能快速傳輸數(shù)據(jù)又能高度節(jié)能。

光子集成芯片可用于創(chuàng)造更快、更節(jié)能的設(shè)備。這是因?yàn)檫@些PICs能夠以最高的精度進(jìn)行感應(yīng)，并且在處理和傳輸數(shù)據(jù)方面非常有效。它們還可以與傳統(tǒng)的電子芯片和應(yīng)用集成在一起，涉及一系列行業(yè)，包括數(shù)據(jù)和電信、醫(yī)療和保健、工程和運(yùn)輸。

–目 錄–

集成光子學(xué)的歷史

光子集成芯片是如何工作？

光子學(xué)與電子學(xué)的區(qū)別

光子集成芯片能解決什么問題？

哪些行業(yè)和應(yīng)用使用PIC？

制造和材料的類型

光子集成芯片在哪里開發(fā)？

集成光子學(xué)的歷史

光子學(xué)是探測(cè)、生成和操縱光粒子（光子）的科學(xué)。根據(jù)量子力學(xué)和愛因斯坦在1905年首次提出的波粒二象性概念，光既是一種電磁波，也是一種粒子。光的運(yùn)行環(huán)境決定了觀察到的光的性質(zhì)。例如，通過透鏡彎曲的光是一種波的形式，而在光纖中，光是以光子的粒子形式出現(xiàn)的，它不帶有質(zhì)量和特定數(shù)量的能量。

集成光子學(xué)（IP）是光子學(xué)的一個(gè)分支，其中多個(gè)光子功能和波導(dǎo)被制造在由磷化銦（InP）、氮化硅（SiN）或硅光子學(xué)（SiPh）制成的平面襯底表面。這一技術(shù)上的突破意味著光子集成電路現(xiàn)在可以像電子集成電路處理和傳導(dǎo)電信號(hào)那樣，處理和傳輸光線。

幾個(gè)亮點(diǎn)

使用電子元件的集成電路最早是在20世紀(jì)40年代末和50年代初開發(fā)的，但直到1958年才開始商業(yè)化。當(dāng)激光器和激光二極管在20世紀(jì)60年代被發(fā)明時(shí)，"光子學(xué)"一詞被更多地用來描述應(yīng)用光來取代以前通過使用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。

到20世紀(jì)80年代，光子學(xué)通過其在光纖通信中的作用獲得了牽引力。在這十年的開始，代爾夫特理工大學(xué)的一個(gè)新研究小組的助理Meint Smit開始在集成光子學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行開拓。他因發(fā)明了陣列波導(dǎo)光柵（AWG）而備受贊譽(yù)：這是現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)和電話數(shù)字連接的核心部件。

Ton Backx是光子集成研究所的創(chuàng)始人和第一任所長(zhǎng)以及PhotonDelta公司的首席執(zhí)行官。在他的領(lǐng)導(dǎo)下，電氣工程系在之前的幾年里發(fā)展成為荷蘭最大的系。Backx已被任命為 “荷蘭獅子勛章“ 的騎士。

光子集成芯片是如何工作的？

光子集成芯片的工作原理是利用光子（光的粒子）來傳輸、感知、處理和傳送信息。利用波導(dǎo)來控制和引導(dǎo)光，通過全內(nèi)反射，光子集成芯片可與用于傳輸電信號(hào)的導(dǎo)線相媲美。激光源提供驅(qū)動(dòng)元件所需的光，類似于電路中的開關(guān)。

通過波導(dǎo)連接，多個(gè)元件可以被集成并制作在一個(gè)單一的基板上，從而創(chuàng)造出堅(jiān)固和小型化的解決方案。光子集成電路中的元件可以是無源和有源的。無源元件的例子是開關(guān)和復(fù)用器。有源元件包括檢測(cè)器和激光器。

光子學(xué)和電子學(xué)的區(qū)別

光子學(xué)與電子學(xué)相似。然而，它不是用電子，而是用光子來傳輸信息。電子學(xué)指的是對(duì)微芯片上電子的控制，而光子學(xué)指的是對(duì)光子的控制。光子集成電路（PIC）可與電子集成電路（IC）相媲美，但兩者之間有一些明顯的區(qū)別：

光子集成芯片為擁有一定光波長(zhǎng)的信息信號(hào)提供功能，該信號(hào)通常在可見光譜或近紅外850納米-1650納米。

電氣元件需要轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)來連接電源和有源電氣元件，而光子元件是由光源（激光）激活的。

集成電路通過使帶負(fù)電的電子在電路中流動(dòng)來導(dǎo)電。光子集成芯片允許光子的流動(dòng)。

電子與其他粒子相互作用，導(dǎo)致它們?cè)阢~線中緩慢移動(dòng)，產(chǎn)生熱量，并導(dǎo)致能量損失。光子以光速移動(dòng)，幾乎沒有摩擦，因此速度更快，能源效率更高。

就制造而言，在電路中，晶體管是主導(dǎo)部件，而在光子集成電路中，沒有主導(dǎo)器件。

光子集成芯片能解決什么問題？

隨著全球數(shù)據(jù)消費(fèi)的增加和對(duì)快速網(wǎng)絡(luò)需求的持續(xù)增長(zhǎng)，世界需要為能源危機(jī)和氣候變化找到更可持續(xù)的解決方案。同時(shí)，市場(chǎng)上出現(xiàn)了越來越多的傳感器技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，如自動(dòng)駕駛車輛中的激光雷達(dá)。人們有必要跟上技術(shù)挑戰(zhàn)的步伐。

5G數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)展、更安全的自動(dòng)駕駛車輛和更有效的糧食生產(chǎn)，僅靠電子微芯片技術(shù)是無法持續(xù)滿足需要的。然而，通過異質(zhì)集成將電子器件與集成光子器件結(jié)合起來，提供了一種更節(jié)能的方式來提高數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的速度和容量，可以降低成本，滿足各行業(yè)日益多樣化的需求。

哪些行業(yè)和應(yīng)用使用PIC？

光子集成電路的最早例子之一是2段分布式布拉格反射器（DBR）激光器，由兩個(gè)獨(dú)立控制的器件部分組成：一個(gè)增益部分和一個(gè)DBR鏡部分。

今天，光子集成芯片的行業(yè)和應(yīng)用越來越多，因?yàn)樵O(shè)計(jì)者通過將光子技術(shù)納入其解決方案來解決越來越多的技術(shù)難題。

電信

PIC的主要應(yīng)用是在光纖通信領(lǐng)域。陣列波導(dǎo)光柵（AWG）是光子集成芯片的一個(gè)例子，它通常被用作波分復(fù)用（DWDM）光纖通信系統(tǒng)的光（去）復(fù)用器。光纖通信系統(tǒng)中的另一個(gè)例子是外部調(diào)制激光器（EML），它將分布式反饋激光二極管與電吸收調(diào)制器相結(jié)合。例如，EFFECT Photonics公司解決了對(duì)高性能和經(jīng)濟(jì)型光通信解決方案的需求，如SPF+光收發(fā)器，這有助于滿足高帶寬和更快數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

PIC不僅能提高帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速度，還能降低數(shù)據(jù)中心的能耗，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心的很大一部分能源是用于冷卻服務(wù)器。與單純的電子解決方案相比，PIC產(chǎn)生的熱量要少得多，可以減輕對(duì)冷卻的需求，減少能源消耗。例如，QuiX Quantum公司開發(fā)了量子光子處理器，使光子量子計(jì)算機(jī)能夠在室溫下運(yùn)行--這是降低其成本和尺寸的一個(gè)重要步驟。

醫(yī)療保健

利用光子生物傳感器和創(chuàng)造更多負(fù)擔(dān)得起的生物醫(yī)學(xué)診斷儀器，集成光子學(xué)為芯片上的實(shí)驗(yàn)室（LOC）技術(shù)打開了非常現(xiàn)實(shí)的大門，縮短了等待時(shí)間，并將診斷從實(shí)驗(yàn)室?guī)У结t(yī)生和病人手中?；谝粋€(gè)超靈敏的光子生物傳感器，SurfiX診斷公司的即插即用診斷平臺(tái)提供了各種醫(yī)療點(diǎn)測(cè)試。同樣，Amazec Photonics公司開發(fā)了一種帶有光子芯片的光纖傳感技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的溫度傳感（刻度為0.1毫開），而不需要在體內(nèi)注入溫度傳感器。這樣一來，醫(yī)學(xué)專家就能從體外測(cè)量心動(dòng)輸出量和循環(huán)血量。光學(xué)傳感器技術(shù)的另一個(gè)例子是EFI的OptiGrip設(shè)備，它為微創(chuàng)手術(shù)提供了對(duì)組織感覺的更大控制。

運(yùn)輸與工程

在汽車領(lǐng)域，集成光子學(xué)可用于通過激光雷達(dá)（光探測(cè)和測(cè)距）等傳感器系統(tǒng)監(jiān)測(cè)車輛的周圍環(huán)境。它還可以通過Li-Fi部署車內(nèi)連接，Li-Fi與WiFi類似，但使用光。這項(xiàng)技術(shù)還促進(jìn)了車輛和城市基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信，以提高司機(jī)的安全。例如，一些現(xiàn)代車輛可以接收交通標(biāo)志，并提醒司機(jī)注意速度限制。在工程方面，光纖傳感器可用于檢測(cè)不同的數(shù)量，如壓力、溫度、振動(dòng)、加速度和機(jī)械應(yīng)變。來自PhotonFirst公司的傳感技術(shù)使用集成光子技術(shù)來測(cè)量諸如飛機(jī)的形狀變化、電動(dòng)汽車電池溫度和基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)變。

食品生產(chǎn)

為了減少浪費(fèi)和檢測(cè)疾病，傳感器在農(nóng)業(yè)革命和更廣泛的食品工業(yè)方面發(fā)揮著重要作用。由PIC驅(qū)動(dòng)的光感應(yīng)技術(shù)可以測(cè)量人眼范圍以外的變量，使食品供應(yīng)鏈能夠檢測(cè)水果和植物的疾病、成熟度和營(yíng)養(yǎng)成分。它還可以幫助食品生產(chǎn)商確定土壤質(zhì)量和植物生長(zhǎng)情況，以及測(cè)量二氧化碳排放量。MantiSpectra公司開發(fā)的一種新的小型化近紅外傳感器，小到可以裝入智能手機(jī)，可以分析牛奶和塑料的化學(xué)含量。

制造和材料的類型

商業(yè)上利用最多的光子集成芯片材料平臺(tái)是磷化銦（InP），它允許在同一芯片上集成各種光學(xué)有源和無源功能。其制造技術(shù)與電子集成電路中使用的技術(shù)類似，使用光刻模式的晶片進(jìn)行蝕刻和材料沉積。

被認(rèn)為最通用的平臺(tái)是磷化銦（InP）、氮化硅（SiN）和硅基光電子（SiPh）：

磷化銦（InP）PICs具有主動(dòng)的激光生成、放大、控制和檢測(cè)功能。這使它們成為通信和傳感應(yīng)用的理想元件。

氮化硅（SiN）PICs具有廣闊的光譜范圍和超低損耗的波導(dǎo)。這使它們非常適用于檢測(cè)器、光譜儀、生物傳感器和量子計(jì)算機(jī)。LioniX國(guó)際公司的TriPleX波導(dǎo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了SiN中報(bào)告的最低傳播損耗（0.1 dB/cm低至0.1 dB/m）。

硅基光電子（SiPh）PICs為波導(dǎo)等無源元件提供了低損耗，可用于微型光子芯片。它們與現(xiàn)有的電子制造兼容。

硅基光電子實(shí)際上指的是技術(shù)而不是材料。它將高密度的光子集成芯片（PIC）與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）電子制造相結(jié)合。技術(shù)上最成熟和商業(yè)上使用的平臺(tái)是絕緣體上的硅（SOI）。

LioniX國(guó)際公司開發(fā)的一種超窄線寬可調(diào)諧激光系統(tǒng)。通過混合集成低損耗的氮化硅（SiN）PIC和主動(dòng)增益的磷化銦（InP）PIC而開發(fā)。

其他平臺(tái)包括：

鈮酸鋰（LiNbO3）是一種理想的低損耗模式的調(diào)制器。由于它的低指數(shù)和寬廣的透明度窗口，它在匹配光纖輸入-輸出方面非常有效。對(duì)于更復(fù)雜的PIC，鈮酸鋰可以形成大晶體。作為ELENA項(xiàng)目的一部分，有一個(gè)歐洲倡議來刺激鈮酸鋰-PIC的生產(chǎn)。人們還在嘗試開發(fā) "絕緣體上的鈮酸鋰（LNOI）"。

硅石具有低重量和小尺寸的特點(diǎn)。它是光通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)常見組成部分，如平面光波電路（PLCs）。

砷化鎵（GaAs）具有高電子遷移率。這意味著GaAs晶體管可以高速運(yùn)行，使其成為高速激光器和調(diào)制器的理想模擬集成電路驅(qū)動(dòng)器。

通過在混合或異質(zhì)集成中組合和配置不同的芯片類型（包括現(xiàn)有的電子芯片），就有可能發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。采取這種互補(bǔ)的集成方式，可以解決對(duì)日益復(fù)雜的節(jié)能解決方案的需求。

光子集成電路在哪里開發(fā)和生產(chǎn)？

最引人注目的光子集成電路學(xué)術(shù)中心是美國(guó)的加州大學(xué)圣巴巴拉分校，以及荷蘭的埃因霍溫科技大學(xué)和特溫特大學(xué)。

公私合作伙伴關(guān)系，如PhotonDelta公司和美國(guó)制造集成光子學(xué)研究所（AIM Photonics），也提供端到端的供應(yīng)鏈和生態(tài)系統(tǒng)，以幫助啟動(dòng)和擴(kuò)大在集成光子學(xué)領(lǐng)域工作的公司。

有許多機(jī)構(gòu)專門從事不同類型的制造。

Smart Photonics公司是一家磷化銦（InP）的代工廠

LioniX International公司是一家專門從事氮化硅（SiN）的機(jī)構(gòu)

Ligentec公司是一家氮化硅（SiN）的代工廠

AMF公司和VTT公司是硅基光電子（SiPh）的代工廠

GlobalFoundaries和Tower Semiconductors是半導(dǎo)體硅基光電子（SiPh）的代工廠

IMEC有一條硅基光電子（SiPh）的試驗(yàn)線

審核編輯 ：李倩