什么是光子集成芯片（PIC）？

光子集成芯片（PIC）是一個包含兩個或更多光子元件的微芯片，形成一個功能電路，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，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)能的設備。這是因為這些PICs能夠以最高的精度進行感應，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、工程和運輸。

–目 錄–

集成光子學的歷史

光子集成芯片是如何工作？

光子學與電子學的區(qū)別

光子集成芯片能解決什么問題？

哪些行業(yè)和應用使用PIC？

制造和材料的類型

光子集成芯片在哪里開發(fā)？

集成光子學的歷史

光子學是探測、生成和操縱光粒子（光子）的科學。根據(jù)量子力學和愛因斯坦在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（IP）是光子學的一個分支，其中多個光子功能和波導被制造在由磷化銦（InP）、氮化硅（SiN）或硅光子學（SiPh）制成的平面襯底表面。這一技術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電信號那樣，處理和傳輸光線。

幾個亮點

使用電子元件的集成電路最早是在20世紀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。當激光器和激光二極管在20世紀60年代被發(fā)明時，"光子學"一詞被更多地用來描述應用光來取代以前通過使用電子技術實現(xiàn)的應用。

到20世紀80年代，光子學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，代爾夫特理工大學的一個新研究小組的助理Meint Smit開始在集成光子學領域進行開拓。他因發(fā)明了陣列波導光柵（AWG）而備受贊譽：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)始人和第一任所長以及PhotonDelta公司的首席執(zhí)行官。在他的領導下，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。利用波導來控制和引導光，通過全內(nèi)反射，光子集成芯片可與用于傳輸電信號的導線相媲美。激光源提供驅(qū)動元件所需的光，類似于電路中的開關。

通過波導連接，多個元件可以被集成并制作在一個單一的基板上，從而創(chuàng)造出堅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和復用器。有源元件包括檢測器和激光器。

光子學和電子學的區(qū)別

光子學與電子學相似。然而，它不是用電子，而是用光子來傳輸信息。電子學指的是對微芯片上電子的控制，而光子學指的是對光子的控制。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的信息信號提供功能，該信號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)動開關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電的電子在電路中流動來導電。光子集成芯片允許光子的流動。

電子與其他粒子相互作用，導致它們在銅線中緩慢移動，產(chǎn)生熱量，并導致能量損失。光子以光速移動，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，晶體管是主導部件，而在光子集成電路中，沒有主導器件。

光子集成芯片能解決什么問題？

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

5G數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)中心的擴展、更安全的自動駕駛車輛和更有效的糧食生產(chǎn)，僅靠電子微芯片技術是無法持續(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，由兩個獨立控制的器件部分組成：一個增益部分和一個DBR鏡部分。

今天，光子集成芯片的行業(yè)和應用越來越多，因為設計者通過將光子技術納入其解決方案來解決越來越多的技術難題。

電信

PIC的主要應用是在光纖通信領域。陣列波導光柵（AWG）是光子集成芯片的一個例子，它通常被用作波分復用（DWDM）光纖通信系統(tǒng)的光（去）復用器。光纖通信系統(tǒng)中的另一個例子是外部調(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公司解決了對高性能和經(jīng)濟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，因為數(shù)據(jù)中心的很大一部分能源是用于冷卻服務器。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，使光子量子計算機能夠在室溫下運行--這是降低其成本和尺寸的一個重要步驟。

醫(yī)療保健

利用光子生物傳感器和創(chuàng)造更多負擔得起的生物醫(yī)學診斷儀器，集成光子學為芯片上的實驗室（LOC）技術打開了非常現(xiàn)實的大門，縮短了等待時間，并將診斷從實驗室?guī)У结t(yī)生和病人手中?；谝粋€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提供了各種醫(yī)療點測試。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，可以實現(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)學專家就能從體外測量心動輸出量和循環(huán)血量。光學傳感器技術的另一個例子是EFI的OptiGrip設備，它為微創(chuàng)手術提供了對組織感覺的更大控制。

運輸與工程

在汽車領域，集成光子學可用于通過激光雷達（光探測和測距）等傳感器系統(tǒng)監(jiān)測車輛的周圍環(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。這項技術還促進了車輛和城市基礎設施之間的通信，以提高司機的安全。例如，一些現(xiàn)代車輛可以接收交通標志，并提醒司機注意速度限制。在工程方面，光纖傳感器可用于檢測不同的數(shù)量，如壓力、溫度、振動、加速度和機械應變。來自PhotonFirst公司的傳感技術使用集成光子技術來測量諸如飛機的形狀變化、電動汽車電池溫度和基礎設施的應變。

食品生產(chǎn)

為了減少浪費和檢測疾病，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)動的光感應技術可以測量人眼范圍以外的變量，使食品供應鏈能夠檢測水果和植物的疾病、成熟度和營養(yǎng)成分。它還可以幫助食品生產(chǎn)商確定土壤質(zhì)量和植物生長情況，以及測量二氧化碳排放量。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，可以分析牛奶和塑料的化學含量。

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是磷化銦（InP），它允許在同一芯片上集成各種光學有源和無源功能。其制造技術與電子集成電路中使用的技術類似，使用光刻模式的晶片進行蝕刻和材料沉積。

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

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

氮化硅（SiN）PICs具有廣闊的光譜范圍和超低損耗的波導。這使它們非常適用于檢測器、光譜儀、生物傳感器和量子計算機。LioniX國際公司的TriPleX波導已經(jīng)實現(xiàn)了SiN中報告的最低傳播損耗（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。

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

LioniX國際公司開發(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和主動增益的磷化銦（InP）PIC而開發(fā)。

其他平臺包括：

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。對于更復雜的PIC，鈮酸鋰可以形成大晶體。作為ELENA項目的一部分，有一個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。它是光通信網(wǎng)絡的一個常見組成部分，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。采取這種互補的集成方式，可以解決對日益復雜的節(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術中心是美國的加州大學圣巴巴拉分校，以及荷蘭的埃因霍溫科技大學和特溫特大學。

公私合作伙伴關系，如PhotonDelta公司和美國制造集成光子學研究所（AIM Photonics），也提供端到端的供應鏈和生態(tài)系統(tǒng)，以幫助啟動和擴大在集成光子學領域工作的公司。

有許多機構(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是半導體硅基光電子（SiPh）的代工廠

IMEC有一條硅基光電子（SiPh）的試驗線

審核編輯 ：李倩