光子電路設(shè)計(jì)在無(wú)晶圓廠生態(tài)系統(tǒng)中蓄勢(shì)待發(fā)

　　以成熟度來(lái)看，盡管光學(xué)整合技術(shù)大約較電子整合落后30年，但它仍是一種快速進(jìn)展的技術(shù)。光學(xué)整合在2000年的網(wǎng)絡(luò)泡沫化時(shí)代歷經(jīng)最佳的發(fā)展，當(dāng)時(shí)約有數(shù)百萬(wàn)種用于光纖網(wǎng)絡(luò)的被動(dòng)光學(xué)組件開(kāi)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(tái)可用于無(wú)晶圓廠（Fabless）的芯片開(kāi)發(fā)，每一種都具有不同的卓越特性：PLC的優(yōu)點(diǎn)是低損耗和低成本被動(dòng)電路；硅（Si）的優(yōu)點(diǎn)在于高密度和CMOS兼容性；磷化銦（InP）能夠在芯片上產(chǎn)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(cè)應(yīng)用

　　雖然磷化銦和硅平臺(tái)通常針對(duì)作業(yè)于C波段（約1550nm）和O波段（約1310nm）的光纖通訊波長(zhǎng)范圍進(jìn)行了優(yōu)化，但PLC和氮化硅則能作業(yè)于低至400nm的可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍，目前有許多感測(cè)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用都作業(yè)于這一范圍。

　　在選擇了能夠滿足目標(biāo)應(yīng)用要求的材料平臺(tái)后，設(shè)計(jì)人員接著還必須選擇一家特定的代工廠，或是讓有經(jīng)驗(yàn)的IC設(shè)計(jì)公司（如VLC Photonics）協(xié)助選擇。光子芯片設(shè)計(jì)的第一步是根據(jù)波導(dǎo)幾何形狀確定沿著電路傳導(dǎo)的光學(xué)模式。

　　圖2：整合于硅光子微芯片上的精巧型量子光學(xué)干擾儀

　　在這個(gè)階段通常會(huì)執(zhí)行全面的頻域分析，計(jì)算色散、群速、群指數(shù)、傳播損耗、有效折射率等光學(xué)參數(shù)，并考慮某些邊界條件（如周期性、對(duì)稱、非對(duì)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(guān)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(jìn)行傳播。雖然可采用多種方法（BEP、特征模式擴(kuò)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(shí)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(dǎo)結(jié)構(gòu)（如錐體、彎管、耦合器）中的光線傳播，可以在近軸途徑下實(shí)現(xiàn)純量（scalar）或向量（vector）總場(chǎng)（而非模場(chǎng)）的單向或雙向傳播。

　　圖3：磷化銦平臺(tái)復(fù)雜的微波光子芯片布局