什么是光子集成电路？

光子集成电路（PIC）也被称为平面光波电路或集成光学电路，这是一种由两个或多个组件相连构成的微芯片，其电路可用于产生、传输、调制或探测光信号。电子集成电路使用电子，而PIC则使用光子。PIC中的信息，是以光信号的形式进行创建、调制和测量的，这些光信号的波长处于可见光或近红外光谱范围内。

PIC制造和内部组件设计的发展，已推动光子器件的应用从通信领域扩展到了生物医学仪器、信号处理、量子计算和各种传感器领域。同时，设计、仿真和制造方面的进步不断推动着该技术实现更小尺寸、更高的单芯片性能，以及更快的速度和更高的准确性。 

电子集成电路（IC）使用硅作为主导材料，而大多数光子芯片则是由电光晶体的组合而成的，包括氮化硅（SiN）、铌酸锂、砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）。而通过标准互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺、使用绝缘体上硅材料来制造创建基于硅的光学组件，就是硅光子技术（SiPh）。 

构成PIC的电路差异很大，具体取决于给定设备所需执行的任务。工程师通过排列光子组件来调制和测量在电路中传输的光信号。将光子集成在单个芯片上，可在小巧、节能的封装中实现高性能解决方案。PIC的价值会随着单个芯片功能的增加而增加，同时，电路的复杂性和组件的密度也随之增加。 

各组件通常可以被归类为光源、信号载波、放大器、调制器或探测器，它们也可以分为无源或有源组件。无源组件没有电气输入或输出，而有源组件具有分别用于调制或感应光子的电气输入或输出。有许多先进组件，是由更简单的组件组合而成的。 

光子I/O组件

工程师有多种方法可以将光导入PIC并引入电路中。其中，光栅耦合器可用于将光垂直于芯片引入。光栅耦合器由蚀刻在光子芯片上的周期性结构组成，类似于衍射光栅。它们不需要精确对准，并且可以从相芯片的不同角度引入光。或者，也可以将光纤直接连接到芯片，使光直接进入到波导中，这通常通过边缘耦合器或直接耦合器来实现。这种方法需要精确对准以及光源和PIC之间的牢固结合。

激光

激光光源可以作为有源组件引入PIC中。基于磷化铟的PIC，可以支持以激光二极管的形式将激光组件添加到光子电路中。 

波导

波导是光子电路中组件之间的互连，它们是低损耗组件，可通过光网络传输光信号。波导可以是平面、脊形或槽形的，它们能够支持大范围光谱的光信号。

相位调制器/移位器

光子电路中的一个常见功能是，利用电信号改变组件材料的折射率来调制或变换光信号的相位。在硅中调制通常是通过等离子体色散效应来实现的，其中通过外加偏置电压改变自由载流子密度会引起折射率发生变化，从而调制光信号。 

耦合器和分路器

光子电路中的信号通过耦合器进行合成，耦合器将两个或多个输入波导的信号合并成一个输出信号，或者将一个复用信号分路成多个独立的波导（通常基于波长）。

分离复用信号的一个常见示例是阵列波导光栅（AWG）器件。它使用以阵列形式排列的不同长度的光栅作为波分复用器，将输入的复用信号分解成单独的波长。

滤波器

Mach-Zehnder干涉仪或微环谐振器等干涉仪结构，可用于阻挡或通过所需的波长。滤波器可分为带通滤波器或陷波滤波器。 

光放大器

PIC中的一个常见需求是，在不改变光信号的情况下放大光信号。各种放大器组件（一些是电光组件，一些是纯光学组件）可用于增加光的振幅。 

光电探测器

在电路设计的某个阶段，必须对PIC中传输和调制的光信号进行测量。光电探测器，会根据光电效应将光子的能量转换为电信号。  

光子集成电路具有与电子集成电路类似的优势。其将多个离散光子组件整合到单个芯片上，从而缩小尺寸、提高效率和性能，同时降低成本并实现大规模生产。其中一些最重要的优势包括：

• 功耗更低：光子电路本质上比电子电路更高效。与PIC相比，电路中的电阻会导致更多的热量产生和更大的信号强度损失。 
• 成本降低：利用标准半导体制造技术（包括代工厂的共享资源），PIC可以实现大规模生产的成本优势。 
• 尺寸减小：与离散光子技术相比，PIC的光子器件占用空间明显更小。这有利于降低数据通信设备的成本和占用空间。将PIC用作传感器，可以制造出易于安装到设备中或嵌入可穿戴设备中的微型器件。 
• 集成：将光子集成电路与基于硅的微电子器件相结合的能力，是其更为引人注目的优势之一。电子和光子电路可以在同一个单片微芯片中组合，也可以利用先进的半导体封装技术在先进的光电封装中进行连接。 
• 可靠性：与分离光子技术相比，由于组件可集成到单个芯片中，因此潜在的故障模式会减少或完全消除。此外，半导体制造的高精度制造能力能够控制材料和尺寸的可变性。 

工程师在不断为光子集成电路开发新的应用。光子集成电路能够以光的形式生成、修改和读取数据，再加上其小巧尺寸，使其成为了通信、计算、传感和数据处理等广泛行业的理想选择。 

其中一些最常见的应用包括：

光通信

PIC最常见的用途在于各种类型的通信。基于PIC的收发器通过光保真度（Li-Fi）技术连接数据中心、基站甚至多个车辆中的计算机。PIC可用作高速光纤网络中数据传输的放大器和多路复用器，也可用作连接高性能计算应用中的处理器。 

激光雷达

光探测与测距（激光雷达）是一种利用激光脉冲绘制物理对象位置的传感器技术。PIC对于产生激光雷达传感器所发出的特定光脉冲，以及准确测量返回的光特征至关重要。随着自动驾驶汽车的发展，激光雷达技术得到了大规模应用。 

属性测量

具有PIC的光传感设备，可以极其准确地测量温度、化学成分、位置、速度、加速度、压力、振动和表面光洁度。一些传感器利用光来测量物理特性，另一些传感器则使用带有光谱仪的PIC。 

芯片实验室

在医疗传感领域，可以利用芯片上集成的光学组件，将化学实验室微型化——只需包含电子和光子集成电路的单个微型封装就能实现。通过该技术，可以利用光在护理点直接对患者体液样本进行测量，而不是将样本送到实验室、通过多个诊断设备进行处理。 

量子计算

量子计算依赖于光子的量子行为，而PIC是支撑这项快速发展技术的关键技术。光子电路是控制和测量光子量子态所必需的关键技术，其还可用于多台量子计算机之间的量子网络，或用于将量子计算机连接到数字计算机。 

人工智能和机器学习（AI/ML）

光子集成电路在AI应用的爆炸式增长中也发挥着重要作用。当前，其主要应用领域是计算机内部或计算机之间的光通信。研究人员还发现，某些AI算法（尤其是神经网络）非常适合应用PIC，他们还使用AI/ML来设计用于AI/ML应用的PIC，从而形成技术良性循环。 

光子集成电路是复杂的器件，其设计依赖于严谨且详尽的工程工作。光子的行为、光子与材料的相互作用，以及光信号频率、幅度和相位的调制，都涉及复杂的物理机制，这使得光子电路设计成为仿真技术的绝佳应用领域，仿真技术可帮助工程师做出设计决策，并优化其设计的性能和鲁棒性。 

工程师可以使用Ansys Lumerical INTERCONNECT软件这样的工具进行电路级仿真。他们可以将经典光子集成电路和量子光子集成电路作为组件进行布局，使用输入信号运行仿真，并查看模型中任何点的信号。同时，INTERCONNECT软件兼容主要代工厂提供的器件库，其还能够与主要的电子设计自动化（EDA）工具和工作流程结合使用，并且，其参数化特性使得统计研究易于进行。

此外，利用诸如Ansys Lumerical FDTD软件和Ansys Lumerical MODE软件等工具，可以对电路中的各组件进行仿真和优化。FDTD软件是一种电磁求解器，可以准确模拟组件的光子学行为，将其建模为3D结构。MODE软件则用于查看波导和耦合器的详细行为。最终确定设计后，就可以将结果转换为行业标准格式的紧凑模型库表示，以便在INTERCONNECT软件等系统级工具中使用。 

工程师还需要考虑热量生成和电荷传输对光子组件的影响。他们可以使用Ansys Lumerical Multiphysics软件等工具，来测量温度和电荷分布的变化如何导致结构中材料折射率的变化，从而影响光子性能。

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