什麼是積體光路？

積體光路 (PIC)，也稱為平面光波電路或積體光學電路，是由兩個或更多連接的元件組成的微型晶片，形成一個電路，用於產生、傳輸、改變或測量光。電子積體電路使用電子，而 PIC 則使用光子。關於 PIC 的資訊是以光學訊號的形式創建、修改和測量，光波長位於可見光或近紅外光範圍內。

PIC 及其元件設計的製造技術進步，已使光子裝置的應用超越了通訊領域，拓展到生物醫學儀器、訊號處理、量子計算以及各種感應器領域。設計、模擬和製造技術的進步持續推動這項技術向每顆晶片更小尺寸、更大功能，以及更高速度與精確度的方向發展。 

電子積體電路 (IC) 使用矽作為主要材料，而大多數光子晶片則是由多種光電晶體組成，包括氮化矽 (SiN)、鈮酸鋰、砷化鎵 (GaAs) 和磷化銦 (InP)。基於矽的光學元件可以利用標準的互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 製造技術來製作，這種技術稱為矽光子 (SiPh)，並使用矽基絕緣體材料。 

PIC 所構成的電路會根據特定裝置所需的功能而有很大差異。工程師將光子元件排列在一起，以修改和測量通過電路的光訊號。單晶片上的光子積成技術提供了高效能的解決方案，並且具有小巧、節能的優勢。PIC 的價值隨著單顆晶片中功能數量的增加而提升，因此，電路的複雜度和元件的密度也隨之增加。 

每個元件一般可以分類為光源、訊號載體、放大器、調變器或偵測器。它們也可以分為被動元件或主動元件。被動元件沒有電氣輸入或輸出，而主動元件則具有電氣輸入或輸出，用於調變或感測光子。許多先進元件是透過將較簡單的元件結合而製成的。 

光子輸入/輸出元件

工程師可以透過多種方式將光引入 PIC 並導入電路中。光柵耦合器用於將光垂直引入晶片。光柵耦合器由一個週期性結構組成，類似於繞射光柵，這個結構被蝕刻在光子晶片上。它們不需要精確對準，並且可以用來將光從相對晶片的不同角度引入。另一種方式是將光直接插入波導，方法是將光纖電纜直接連接到晶片，通常是通過晶片的邊緣或直接耦合器。這種方法需要精確對準，以及光源與 PIC 之間的穩固黏接。

雷射

雷射光源可以作為 PIC 中的主動元件引入。基於磷化銦的 PIC 可以支持在光子電路中以雷射二極體的形式加入雷射元件。 

波導

波導是光子電路中元件之間的互連介面。它們是低損耗元件，負責將光訊號傳遞通過光學網路。波導可以是平面型、脊型或槽型。波導可以支持廣泛頻譜範圍內的光學訊號。

相位調製器/變換器

光子電路中的一個常見功能是透過使用電訊號改變元件材料的折射率來調製或變換光學訊號的相位。在矽材料中，調製通常是透過等離子體色散效應來實現的，當自由載流子密度因電訊號的輸入而改變時，可以引起折射率的變化，進而調製光訊號。 

耦合器與分配器

光子電路中的訊號會在耦合器中進行合併，耦合器將兩個或更多的輸入波導訊號合併為單一輸出，或者將多工訊號根據波長分割成獨立的波導。

分離多工訊號的常見範例之一是陣列波導光柵 (AWG) 裝置。它使用長度不同的光柵排列成陣列，作為波長分割多工器，將進來的多工訊號分解為單獨的波長。

篩選

干涉儀結構，如馬赫-曾德爾干涉儀或微環共振器，可用於阻擋或通過所需的波長。濾波器可以分為帶通濾波器或陷波濾波器。 

光學放大器

PIC 中常見的需求是放大光學訊號，而不改變其內容。各種放大器元件，其中有些是光電元件，有些則是純光學元件，用於增加光訊號的振幅。 

光子偵測器

在電路設計的某個階段，PIC 中傳輸和修改的光訊號必須被測量。光子偵測器根據光電效應將光子的能量轉換為電訊號。  

積體光路具有與電子積體電路相似的優勢。它們能將多個獨立的光子元件集成到單一晶片上，改善尺寸、效率和性能，同時降低成本並實現大規模生產。其中一些最重要的優勢包括：

• 較低的功耗：光子電路天生比電子電路更具效率。電子電路中的電阻會導致比 PIC 產生更多的熱並造成更大的訊號衰減。 
• 降低成本：PIC 可以利用標準半導體製造技術的大規模生產成本優勢，包括晶圓廠共享資源的優勢。 
• 縮小尺寸：與獨立光子技術相比，PIC 能夠為光子裝置提供更小的佔地面積。這在降低資料通信設備的成本和佔地面積方面具有優勢。PIC 用作感應器可製造出極小的裝置，便於安裝到設備中或嵌入可穿戴設備。 
• 整合：將積體光路與基於矽的微電子技術結合的能力，是其最具吸引力的優勢之一。電子電路和光子電路可以結合在同一塊單體微晶片上，或透過先進的半導體封裝技術在先進的光電包裝中進行連接。 
• 可靠性：與獨立光子技術相比，當元件整合到單一晶片中時，潛在的故障模式會減少或完全消除。此外，半導體製造的精確度可以控制材料和尺寸的變異性。 

工程師不斷開發積體光路的新應用。它們能夠以光的形式生成、修改和讀取數據，再加上其小巧的尺寸，使其成為通訊、計算、感應和資料處理等廣泛領域的理想選擇。 

一些最常見的應用包括：

光通訊

PIC 最常見的用途是各種類型的通訊。PIC 的收發器通過光通訊 (Li-Fi) 連接數據中心中的電腦、手機塔，甚至是多輛車輛。PIC 被用作高效能光纖網路中資料傳輸的放大器和多工器，或用於連接高效能計算應用中的處理器。 

光學雷達

光學雷達 (lidar) 是一種感應技術，利用雷射脈衝光來繪製物理物體的位置。PIC 對於產生光學雷達感應器發射的特定脈衝光以及準確測量回傳的光訊號至關重要。自駕車的發展促使光學雷達技術的大規模應用。 

物性測量

PIC 的光感應裝置能夠以極高的精確度測量溫度、化學組成、位置、速度、加速度、壓力、振動和表面光潔度。有些感應器利用光來測量物理特徵，另一些則使用搭載光譜儀的 PICs。 

晶片實驗室

將光學元件整合在晶片上，可以應用於醫療感應，將化學實驗室微型化，並將電子與光子積體電路集成在一個小型封裝中。光被用來直接在照護現場測量病人的液體樣本，而不是將樣本送到實驗室，通過多個診斷裝置進行處理。 

量子計算

量子計算利用光子的量子行為，而 PIC 是這項快速發展技術的關鍵推動技術。光子電路是用來控制和測量光子量子態的必需元件。它們也用於多個量子電腦之間的量子網路，或用於將量子電腦與數位電腦連接。 

人工智慧與機器學習 (AI/ML)

積體光路在 AI 應用的爆炸性增長中也扮演著重要角色。目前主要的應用是電腦內部或電腦間的光通訊。研究人員也發現，某些 AI 演算法，特別是神經網路，與 PIC 非常相容。他們也正在利用 AI/ML 來設計積體光路 PIC，以應用於 AI/ML 應用，從而創造出一個技術的良性循環。 

積體光路是複雜的裝置，需要嚴謹且詳細的工程設計。光子的行為、光子與材料的相互作用，以及光訊號頻率、幅度和相位的調變都涉及複雜的物理學原理。這使得光子電路設計成為模擬的理想應用，幫助工程師做出設計決策並最佳化設計的性能與穩健性。 

工程師可以使用像是 Ansys Lumerical INTERCONNECT 軟體的工具，從電路層級模擬開始。工程師可以將經典與量子積體光路作為元件進行佈局，運行帶有輸入訊號的模擬，並在模型中的任何位置查看訊號。INTERCONNECT 軟體與主要晶圓廠提供的元件庫相容。它與主要的電子設計自動化 (EDA) 工具和工作流程相容，且其參數化特性使得統計研究變得容易進行。

電路中的每個元件也可以使用像是 Ansys Lumerical FDTD 軟體和 Ansys Lumerical MODE 軟體等工具進行模擬與最佳化。FDTD 軟體是一款電磁求解器，能夠準確地將元件的光子學模型化為 3D 物體。MODE 軟體用於觀察波導和耦合器的詳細行為。設計完成後，結果可以轉換為行業標準格式的緊湊模型庫表示，並用於像 INTERCONNECT 軟體這樣的系統層級工具中。 

工程師還需要考慮熱產生和電荷傳輸對光子元件的影響。他們可以使用像 Ansys Lumerical Multiphysics 軟體這樣的工具來測量溫度和電荷分佈的變化如何導致結構中材料折射率的改變，從而影響光子性能。

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