【半导光电】什么是光子集成芯片（PIC）？

来源:今日光电发布时间:2023-01-094942浏览

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光子集成芯片（PIC）是一个包含两个或更多光子元件的微芯片，形成一个功能电路，因此也称为光子芯片。

光子组件利用光子（或光的粒子），而不是电子。由于它们以光速移动，光子具有很宽的带宽和最小的能量损失，使它们既能快速传输数据又能高度节能。

光子集成芯片可用于创造更快、更节能的设备。这是因为这些PICs能够以最高的精度进行感应，并且在处理和传输数据方面非常有效。它们还可以与传统的电子芯片和应用集成在一起，涉及一系列行业，包括数据和电信、医疗和保健、工程和运输。

–目录–

集成光子学的历史
光子集成芯片是如何工作？
光子学与电子学的区别
光子集成芯片能解决什么问题？
哪些行业和应用使用PIC？
制造和材料的类型
光子集成芯片在哪里开发？

集成光子学的历史

光子学是探测、生成和操纵光粒子（光子）的科学。根据量子力学和爱因斯坦在1905年首次提出的波粒二象性概念，光既是一种电磁波，也是一种粒子。光的运行环境决定了观察到的光的性质。例如，通过透镜弯曲的光是一种波的形式，而在光纤中，光是以光子的粒子形式出现的，它不带有质量和特定数量的能量。

集成光子学（IP）是光子学的一个分支，其中多个光子功能和波导被制造在由磷化铟（InP）、氮化硅（SiN）或硅光子学（SiPh）制成的平面衬底表面。这一技术上的突破意味着光子集成电路现在可以像电子集成电路处理和传导电信号那样，处理和传输光线。

几个亮点

使用电子元件的集成电路最早是在20世纪40年代末和50年代初开发的，但直到1958年才开始商业化。当激光器和激光二极管在20世纪60年代被发明时，"光子学"一词被更多地用来描述应用光来取代以前通过使用电子技术实现的应用。

到20世纪80年代，光子学通过其在光纤通信中的作用获得了牵引力。在这十年的开始，代尔夫特理工大学的一个新研究小组的助理Meint Smit开始在集成光子学领域进行开拓。他因发明了阵列波导光栅（AWG）而备受赞誉：这是现代互联网和电话数字连接的核心部件。

Ton Backx是光子集成研究所的创始人和第一任所长以及PhotonDelta公司的首席执行官。在他的领导下，电气工程系在之前的几年里发展成为荷兰最大的系。Backx已被任命为 “荷兰狮子勋章“ 的骑士。

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）来传输、感知、处理和传送信息。利用波导来控制和引导光，通过全内反射，光子集成芯片可与用于传输电信号的导线相媲美。激光源提供驱动元件所需的光，类似于电路中的开关。

通过波导连接，多个元件可以被集成并制作在一个单一的基板上，从而创造出坚固和小型化的解决方案。光子集成电路中的元件可以是无源和有源的。无源元件的例子是开关和复用器。有源元件包括检测器和激光器。

光子学和电子学的区别

光子学与电子学相似。然而，它不是用电子，而是用光子来传输信息。电子学指的是对微芯片上电子的控制，而光子学指的是对光子的控制。光子集成电路（PIC）可与电子集成电路（IC）相媲美，但两者之间有一些明显的区别：

光子集成芯片为拥有一定光波长的信息信号提供功能，该信号通常在可见光谱或近红外850纳米-1650纳米。
电气元件需要转动开关来连接电源和有源电气元件，而光子元件是由光源（激光）激活的。
集成电路通过使带负电的电子在电路中流动来导电。光子集成芯片允许光子的流动。
电子与其他粒子相互作用，导致它们在铜线中缓慢移动，产生热量，并导致能量损失。光子以光速移动，几乎没有摩擦，因此速度更快，能源效率更高。
就制造而言，在电路中，晶体管是主导部件，而在光子集成电路中，没有主导器件。

光子集成芯片能解决什么问题？

随着全球数据消费的增加和对快速网络需求的持续增长，世界需要为能源危机和气候变化找到更可持续的解决方案。同时，市场上出现了越来越多的传感器技术的创新应用，如自动驾驶车辆中的激光雷达。人们有必要跟上技术挑战的步伐。

5G数据网络和数据中心的扩展、更安全的自动驾驶车辆和更有效的粮食生产，仅靠电子微芯片技术是无法持续满足需要的。然而，通过异质集成将电子器件与集成光子器件结合起来，提供了一种更节能的方式来提高数据网络的速度和容量，可以降低成本，满足各行业日益多样化的需求。

哪些行业和应用使用PIC？

光子集成电路的最早例子之一是2段分布式布拉格反射器（DBR）激光器，由两个独立控制的器件部分组成：一个增益部分和一个DBR镜部分。

今天，光子集成芯片的行业和应用越来越多，因为设计者通过将光子技术纳入其解决方案来解决越来越多的技术难题。

MantiSpectra公司的SpectraPod™--一个适合你手掌的实验室

用于自动驾驶的激光雷达（Light Detection and Ranging）技术

QuiX Quantum公司破纪录的20-Qumode量子处理器

电信

PIC的主要应用是在光纤通信领域。阵列波导光栅（AWG）是光子集成芯片的一个例子，它通常被用作波分复用（DWDM）光纤通信系统的光（去）复用器。光纤通信系统中的另一个例子是外部调制激光器（EML），它将分布式反馈激光二极管与电吸收调制器相结合。例如，EFFECT Photonics公司解决了对高性能和经济型光通信解决方案的需求，如SPF+光收发器，这有助于满足高带宽和更快数据传输的需求。

PIC不仅能提高带宽和数据传输速度，还能降低数据中心的能耗，因为数据中心的很大一部分能源是用于冷却服务器。与单纯的电子解决方案相比，PIC产生的热量要少得多，可以减轻对冷却的需求，减少能源消耗。例如，QuiX Quantum公司开发了量子光子处理器，使光子量子计算机能够在室温下运行--这是降低其成本和尺寸的一个重要步骤。

医疗保健

利用光子生物传感器和创造更多负担得起的生物医学诊断仪器，集成光子学为芯片上的实验室（LOC）技术打开了非常现实的大门，缩短了等待时间，并将诊断从实验室带到医生和病人手中。基于一个超灵敏的光子生物传感器，SurfiX诊断公司的即插即用诊断平台提供了各种医疗点测试。同样，Amazec Photonics公司开发了一种带有光子芯片的光纤传感技术，可以实现高分辨率的温度传感（刻度为0.1毫开），而不需要在体内注入温度传感器。这样一来，医学专家就能从体外测量心动输出量和循环血量。光学传感器技术的另一个例子是EFI的OptiGrip设备，它为微创手术提供了对组织感觉的更大控制。

运输与工程

在汽车领域，集成光子学可用于通过激光雷达（光探测和测距）等传感器系统监测车辆的周围环境。它还可以通过Li-Fi部署车内连接，Li-Fi与WiFi类似，但使用光。这项技术还促进了车辆和城市基础设施之间的通信，以提高司机的安全。例如，一些现代车辆可以接收交通标志，并提醒司机注意速度限制。在工程方面，光纤传感器可用于检测不同的数量，如压力、温度、振动、加速度和机械应变。来自PhotonFirst公司的传感技术使用集成光子技术来测量诸如飞机的形状变化、电动汽车电池温度和基础设施的应变。

食品生产

为了减少浪费和检测疾病，传感器在农业革命和更广泛的食品工业方面发挥着重要作用。由PIC驱动的光感应技术可以测量人眼范围以外的变量，使食品供应链能够检测水果和植物的疾病、成熟度和营养成分。它还可以帮助食品生产商确定土壤质量和植物生长情况，以及测量二氧化碳排放量。MantiSpectra公司开发的一种新的小型化近红外传感器，小到可以装入智能手机，可以分析牛奶和塑料的化学含量。

制造和材料的类型

商业上利用最多的光子集成芯片材料平台是磷化铟（InP），它允许在同一芯片上集成各种光学有源和无源功能。其制造技术与电子集成电路中使用的技术类似，使用光刻模式的晶片进行蚀刻和材料沉积。

被认为最通用的平台是磷化铟（InP）、氮化硅（SiN）和硅基光电子（SiPh）：

磷化铟（InP）PICs具有主动的激光生成、放大、控制和检测功能。这使它们成为通信和传感应用的理想元件。
氮化硅（SiN）PICs具有广阔的光谱范围和超低损耗的波导。这使它们非常适用于检测器、光谱仪、生物传感器和量子计算机。LioniX国际公司的TriPleX®波导已经实现了SiN中报告的最低传播损耗（0.1 dB/cm低至0.1 dB/m）。
硅基光电子（SiPh）PICs为波导等无源元件提供了低损耗，可用于微型光子芯片。它们与现有的电子制造兼容。

硅基光电子实际上指的是技术而不是材料。它将高密度的光子集成芯片（PIC）与互补金属氧化物半导体（CMOS）电子制造相结合。技术上最成熟和商业上使用的平台是绝缘体上的硅（SOI）。

LioniX国际公司开发的一种超窄线宽可调谐激光系统。通过混合集成低损耗的氮化硅（SiN）PIC和主动增益的磷化铟（InP）PIC而开发。

其他平台包括：

铌酸锂（LiNbO3）是一种理想的低损耗模式的调制器。由于它的低指数和宽广的透明度窗口，它在匹配光纤输入-输出方面非常有效。对于更复杂的PIC，铌酸锂可以形成大晶体。作为ELENA项目的一部分，有一个欧洲倡议来刺激铌酸锂-PIC的生产。人们还在尝试开发 "绝缘体上的铌酸锂（LNOI）"。
硅石具有低重量和小尺寸的特点。它是光通信网络的一个常见组成部分，如平面光波电路（PLCs）。
砷化镓（GaAs）具有高电子迁移率。这意味着GaAs晶体管可以高速运行，使其成为高速激光器和调制器的理想模拟集成电路驱动器。

通过在混合或异质集成中组合和配置不同的芯片类型（包括现有的电子芯片），就有可能发挥各自的优势。采取这种互补的集成方式，可以解决对日益复杂的节能解决方案的需求。

光子集成电路在哪里开发和生产？

最引人注目的光子集成电路学术中心是美国的加州大学圣巴巴拉分校，以及荷兰的埃因霍温科技大学和特温特大学。

公私合作伙伴关系，如PhotonDelta公司和美国制造集成光子学研究所（AIM Photonics），也提供端到端的供应链和生态系统，以帮助启动和扩大在集成光子学领域工作的公司。

有许多机构专门从事不同类型的制造。