光子技術應用的案例
5/11東莞 |首屆泛半導體制程應用光子技術行業論壇將于第五屆光子技術應用行業論壇同期舉辦
而大數據、云計算、物聯網、人工智能、消費電子等多個應用領域都對芯片性能各方面提出了更高的要求。隨著半導體工藝的進步和制造精度的提高，激光技術在泛半導體制程領域的應用也將更加廣泛，有望為半導體制造業帶來更高的生產效率和更優秀的產品質量。
近年來，國際形勢錯綜復雜，各國將半導體制造作為支持重點，國內也逐漸形成了產業鏈上下游的國產化趨勢。我國不斷推進高端裝備研發與制造，激光設備的市場需求也隨之不斷增加。根據CINNO Research數據顯示，預計 2024 年，中國激光設備市場規模將超過600億元，2021~2024年復合增長率達7%，中國激光設備行業發展前景廣闊。
在此背景下，炬光科技第五屆【光子技術應用行業論壇】將于2023年5月11日在炬光科技（東莞）基地隆重舉辦。炬光科技為全球高功率半導體激光器及應用領域具有影響力的公司和品牌，被中國光學學會激光加工專業委員會授予“高功率半導體激光產業先驅”稱號。本屆論壇以【創新·合作】為主題，聚焦光子應用前沿技術，共話光子應用未來。自2015年創辦以來，論壇已成為國內光子行業重要的國際化學術交流平臺，受到了與會嘉賓的高度認可。
為深入探討激光光學技術在泛半導體生產制造領域的應用，今年，炬光科技將聯手業界知名咨詢公司CINNO Research在第五屆【光子技術應用行業論壇】同期舉辦首屆【泛半導體制程應用光子技術行業論壇】，將邀請到多名國內及海外業界知名專家共聚一堂，打造國際化、權威性的產業盛事。專家們將從市場、技術、應用等方面分享多場主題報告，內容覆蓋半導體先進封裝技術、Micro LED巨量轉移技術、半導體制程與晶圓檢測、新能源汽車的激光應用等前沿技術應用。
展開 首屆泛半導體制程應用光子技術行業論壇圓滿落幕
炬光科技第五屆【光子技術應用行業論壇】于2023年5月11日在炬光科技（東莞）基地隆重舉辦。活動主辦單位為東莞市工業和信息化局、東莞市科學技術局、東莞市東城街道辦事處，承辦單位為西安炬光科技股份有限公司。本屆論壇以【創新·合作】為主題，聚焦光子應用前沿技術，共話光子應用未來。
與第五屆【光子技術應用行業論壇】同期舉辦的首屆【泛半導體制程應用光子技術行業論壇】也已成功閉幕，該論壇由炬光科技聯手業界知名咨詢公司CINNO Research打造，深入探討激光與光學技術在泛半導體生產制造領域的應用，受到了國內光子行業與會嘉賓的廣泛認可。
泛半導體制程應用光子技術行業論壇開幕致辭
炬光科技泛半導體制程事業部總經理戴曄為本次論壇開幕作致辭演講。戴曄表示，本次論壇旨在探索光子技術在半導體制程中的應用，這是一個極具前瞻性的議題，也是業界共同關注和探討的重要話題。
隨著半導體工藝的進步和制造精度的提高，激光技術在泛半導體制程領域的應用也將更加廣泛。隨著國際形勢的不確定，各國為了維護自身半導體產業鏈的穩定，均將半導體制造作為支持重點，我國也在打造國產化趨勢的產業鏈。
展開 硅光子技術應用的分析
硅光子技術應用的分析
調查公司Global Information發布的數據顯示，2011年有源光纜(AOC)的全球銷量為30.5萬根，銷售額為7000萬美元。并且還預測，2016年的銷量將達到78.6萬根，銷售額將擴大到1.75億美元。之所所硅光子在AOC光收發器領域取得很好的成績，是因為可以通過量產大幅降低成本，而此前的AOC采用的是基于化合物半導體的分立元件，價格相對比較高。
傳統光通信模塊是將三五族半導體芯片、高速電路硅芯片、無源光器件及光纖封裝而成，其中的成本主要來自三五族半導體芯片及系統封裝。雖然其傳輸速度可達40Gbit/s以上，但是比起使用電纜傳輸而言，價格卻昂貴得多，因此近年來，高速硅光電組件變成一項相當炙手可熱的題材，主要研究目的就是希望借由芯片量產技術降低芯片生產成本、提升良率，另一方面，可以縮小硅光電、光學組件的尺寸，進一步和后端電路整合在一起，以降低封裝成本。
總體而言，采用硅光子技術的最大特點就是成本低、速度快。當然，硅光子若進一步發展還存在兩大難題。一是，使光元件和光收發器大幅實現小型化和低耗電量化的方法。另一個是，進一步實現大容量化的王牌——密集波分復用(DWDM)技術的利用。
如今的光子晶體未采用硅基，因為很難采用硅基以高效率制作有源器件。不過，結合發光的鍺和硅等技術的話，就有可能實現硅基光子晶體。
另一方面，高速硅光子光傳輸可能需要DWDM。該技術早在15年前就已普遍用于長距離通信用設備等，但用于硅光子則非常難。其中一個原因是，各個光元件發出的光的波長以及通過波導的光的波長因溫度變化存在巨大偏差。將長距離通信設備使用的溫度控制功能用于硅光子技術的成本過高，不現實。
展開 硅光子技術原理介紹
硅光子技術原理介紹
硅光子技術即在硅晶圓上實現光傳輸，用激光束代替電子信號傳輸數據，是一種基于硅光子學的低成本、高速率的光通信技術。硅光子技術的實用化和研發的推進改速度都超過了預期，其中，進展尤為快速的當屬日本。
光子學使用的材料是玻璃，光器件是基于玻璃上制作的，這與硅有所不同。由于光的波長對硅而言是透明的，如果信息完全基于硅的基礎上的話，就不能做光接收器，這是硅材料的本質不足，尤其是光源方面，所以硅材料不適合做激光器。但是硅光子技術的應用范圍可以從電路板間的數據傳輸擴大到芯片內的傳輸，并且未來硅光子技術的應用范圍有望擴大到芯片間和芯片內的傳輸，預計這方面的應用將在2020年左右實現實用化。
有專家表示，硅光子技術是一個原理性的技術，人們可以透過這個窗口看到以前沒有看到過的東西。如果作為獨立元件的話，它的優勢在于獨立波長，這不像其他傳統的激光器，傳統的激光器會產生紅光、綠光，而基于硅光子的獨立元件能產生傳統激光器產生不了的光。
來源：中國電力電子產業網
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面向大口徑超薄平面光學器件及應用：PB相位液晶光子技術
液晶材料是一種具有單軸光學各向異性的材料，具有相對較高的雙折射率（Δn≈0.2），通過高分辨圖案化液晶配向技術（例如光配向）控制液晶分子的取向，可實現復雜相位波前，在數個微米厚度內高效操控光場，實現各種光學功能，不涉及顯影、蝕刻等結構轉移步驟，被譽為第四代光學技術。
圖1 （a）傳統光學元件，（b）液晶聚合物平面透鏡
圖2基于PB相位液晶元器件中液晶分子的指向矢分布。(a)透鏡，(b)光柵，(c)液晶分子從0到2π變化，對應相位在0到4π之間變化，在2π位置由于液晶分子自組裝作用，不存在相位突變。
圖3 基于液晶聚合物的平面光學元件制備流程
基于幾何相位的液晶超表面器件，利用液晶分子在平面內0-180°指向變化，來控制光學波前0-2π相位變化，從而實現復雜光學相位器件（圖2）。該新型光學元器件的制備流程由圖3中給出，主要包括旋涂偏振光敏薄膜、圖案化偏振曝光、灌注液晶（LC）或者涂敷液晶聚合物（LCP）材料，即可完成主動可控的液晶光子器件或者耐用薄膜液晶聚合物光子器件，其中器件效率通過半波延遲量來控制。幾何相位液晶平面光學有以下特點：
輕薄、易集成：液晶或者液晶聚合物材料具有相對較高的雙折射率(約0.15)，僅需<2 um的厚度即可滿足可見光至近紅外器件的半波延遲需求。液晶聚合物薄膜可通過層壓、膠粘等工藝與多種光學元件進行對準集成。
分子指向電場可控，便于面向主動光學器件應用。由于感生偶極矩作用，液晶分子排列能夠通過電場進行操控，進而主動控制液晶器件的特性，便于制造主動液晶光柵、可調液晶微透鏡陣列等核心光學部件。
展開 JCMsuite應用：光子晶體諧振腔光子晶體諧振腔
光子晶體(PhC)膜腔是集成光子學中實現緊湊光學元件的理想材料。功能可能包括激光器、開關或放大器。在案例中，計算了L5 PhC薄膜腔的基模。PhC板由一個被空氣包圍的薄介質膜和在一個規則的、有限的、六邊形網格上穿孔的圓孔組成。對于L5腔，省略了沿裝置中心線的5個孔。共振模式被定位在缺失的孔隙處。因為該結構有三個對稱平面(x=0, y=0, z=0)，計算區域選擇為全結構的1/8，在對稱平面上采用鏡像邊界條件。
部分網格離散L5空腔幾何形狀(藍色:介質材料，灰色&省略區域:空氣)。空洞是由圖像左上方缺失的氣孔形成的。在有限光子晶體帶隙內波長的光場被定位在腔內。
Project {
Electromagnetics {
TimeHarmonic {
ResonanceMode {
FieldComponents = Electric
MirrorSymmetry=[ElectricSymmetric,MagneticSymmetric,ElectricSymmetric]
...
}
}
}
}
在運行腳本run_project.m中，從計算出的特征值出發，推導出計算模式的共振波長以及模式的質量因子(Q因子)。
計算的特征模態可以被可視化和后處理。
x-y截面上基模的近場強度
x-z截面基模的近場強度
展開 JCMsuite應用：光子晶體諧振腔光子晶體諧振腔
光子晶體(PhC)膜腔是集成光子學中實現緊湊光學元件的理想材料。功能可能包括激光器、開關或放大器。在案例中，計算了L5 PhC薄膜腔的基模。PhC板由一個被空氣包圍的薄介質膜和在一個規則的、有限的、六邊形網格上穿孔的圓孔組成。對于L5腔，省略了沿裝置中心線的5個孔。共振模式被定位在缺失的孔隙處。因為該結構有三個對稱平面(x=0, y=0, z=0)，計算區域選擇為全結構的1/8，在對稱平面上采用鏡像邊界條件。
部分網格離散L5空腔幾何形狀(藍色:介質材料，灰色&省略區域:空氣)。空洞是由圖像左上方缺失的氣孔形成的。在有限光子晶體帶隙內波長的光場被定位在腔內。
Project {
Electromagnetics {
TimeHarmonic {
ResonanceMode {
FieldComponents = Electric
MirrorSymmetry=[ElectricSymmetric,MagneticSymmetric,ElectricSymmetric]
...
}
}
}
}
在運行腳本run_project.m中，從計算出的特征值出發，推導出計算模式的共振波長以及模式的質量因子(Q因子)。
計算的特征模態可以被可視化和后處理。
x-y截面上基模的近場強度
x-z截面基模的近場強度
展開 JCMsuite應用：空心光子晶體光纖
例如，在多核光子晶體光纖示例中，我們使用晶格副本來創建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡單的圓、平行四邊形等表示，或者類似物體的復雜陣列非周期排列在規則網格中，需要晶格復制來實現。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來描述幾何對象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內部孔和中心孔形成復雜的形狀。其幾何結構為中空光子晶體光纖，如下圖所示：
計算得到的空心模式是雙重簡并的。下圖顯示了計算得出的模態強度(第一行)和相應的向量場分布(第二行)。
在run_project.m腳本內將模板轉換為常規的JCMsuite輸入文件，網格劃分并布局，并運行模擬。此外，腳本將結果結構中存儲的特征值寫入控制臺。
results = jcmwave_solve('project.jcmp', keys);
這個例子的project.jcmp、 layout.jcm 和 materials.jcm文件包含了模板文件 ，就要添加一個“t”作為對應模板的后綴。模板被設計成這樣一種方式，只需要定義幾個用戶定義的參數，如圓角、周期、包層環的數量等，就可以生成復雜的布局描述。這些主要的輸入參數是在run_project中設置的。m腳本。當它在Matlab中執行時，命令:
JCMsuite的Matlab?接口允許使用所謂的模板文件生成這樣復雜的文件。因此，可以將JCMsuite語句和Matlab語句進行混合，例如，計算孔隙的點位置。Matlab循環允許在位移位置或修改形狀生成多個對象。
展開 JCMsuite應用：空心光子晶體光纖
例如，在多核光子晶體光纖示例中，我們使用晶格副本來創建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡單的圓、平行四邊形等表示，或者類似物體的復雜陣列非周期排列在規則網格中，需要晶格復制來實現。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來描述幾何對象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內部孔和中心孔形成復雜的形狀。其幾何結構為中空光子晶體光纖，如下圖所示：
顯然，這個描述很難“手工”完成，輸入所有點的坐標。相反，在JCMsuite的Matlab?接口的幫助下，建立一個復雜的幾何圖形和模擬運行完成。
JCMsuite的Matlab?接口允許使用所謂的模板文件生成這樣復雜的文件。因此，可以將JCMsuite語句和Matlab語句進行混合，例如，計算孔隙的點位置。Matlab循環允許在位移位置或修改形狀生成多個對象。關于該機制的完整描述可以在Matlab?Interface中找到，并且超出了本例的范圍，本例僅用于演示嵌入式腳本的能力。
這個例子的project.jcmp、 layout.jcm 和 materials.jcm文件包含了模板文件 ，就要添加一個“t”作為對應模板的后綴。模板被設計成這樣一種方式，只需要定義幾個用戶定義的參數，如圓角、周期、包層環的數量等，就可以生成復雜的布局描述。這些主要的輸入參數是在run_project中設置的。m腳本。當它在Matlab中執行時，命令:
results = jcmwave_solve('project.jcmp', keys);
在run_project.m腳本內將模板轉換為常規的JCMsuite輸入文件，網格劃分并布局，并運行模擬。此外，腳本將結果結構中存儲的特征值寫入控制臺。
計算得到的空心模式是雙重簡并的。
展開 JCMsuite應用：多核光子晶體光纖
在這個例子中，我們計算光子晶體光纖(PCF)的本征模如下圖所示。橫截面上的大量空氣孔是使用Lattice Copies生成的，因此一個基本的幾何圖案可以在布局中放置幾次。
這個例子的計算模式很好地限制在被光子晶體圖案包圍的光纖的7芯內。然而，我們要考慮到，由于主導波區域的折射率并不比外部大，輻射會泄漏到計算域的外部。因此，我們將透明邊界條件應用到布局的外部邊界。
輸入文件所需的基本參數在基本示例傳播模式中進行了描述。作為有效折射率的初始猜想，我們取值為neff=1.456略低于纖維材料折射率的值neff=1.4585.
下面的圖像顯示了對選擇的光纖計算后的模式強度：
在目前的PCF例子中，為了減少計算成本，應用切向磁邊界條件似乎是合理的，因為電場強度向邊界迅速降低。此外，給定PCF的對稱性允許我們將計算域的大小減少到四分之一。
展開 Ansys Lumerical | 光子晶體布拉格光纖仿真應用
01 說明
FDE求解器可用于精確計算任意復雜結構的模式，包括光子晶體布拉格光纖。在此示例中，我們計算并分析了Vienne和Uranus描述的光子晶體布拉格光纖的模式。
02 綜述
模擬文件bragg_PCfiber.lms包含一個參數化組對象，可以進行結構建模。最初，在x-min和y-min處使用反對稱邊界條件以及在x-max和y-max處使用金屬邊界條件設置模擬。反對稱邊界條件允許我們僅模擬1/4的結構，從而節省時間。但是，我們必須注意不要漏掉可能需要對稱條件或對稱和反對稱條件的組合的重要模式。
03 運行和結果
首先，我們運行仿真并切換到分析模式。我們看到其中一種導模的有效折射率約為0.998。下面是圓柱坐標系中的Hr圖。
要研究此類結構的損耗，需要在x-max和y-max處的邊界條件設置為PML，如下所示。我們最初沒有這樣做，因為它會增加計算時間，并且會更難找到導模的有效折射率。當我們重新計算模式時，我們可以查看折射率0.998附近并發現不同的模式。
軟件會計算出將近20種模式。
模式7是
模式8是
上圖顯示了磁場的徑向和角分量，可以與Uranus等人的結果進行比較，我們將有效折射率和損耗與Uranus等人的結果進行比較。
MODE有效折射率結果與Uranus等人的結果非常接近。對于這種對數值網格的微小變化（以及實際制造缺陷）非常敏感的結構，計算損耗則更加困難，并且需要進行一些收斂測試才能找到更準確的結果。
收斂測試
我們首先將感興趣的兩種模式復制到全局DECK中，并將它們重命名為TE和HE，如下所示。
現在可以通過運行優化和掃描來測試收斂性。掃描通過增加網格數目來多次計算模態。
展開 
Lumerical光子晶體布拉格光纖仿真應用
SPEOS
Speos是Ansys公司開發的專業用于光學設計、環境與視覺模擬系統、成像應用的光學仿真軟件,已經廣泛用于航空, 航天, 軍工，汽車，軌道交通、通用照明等領域，也可依據人眼視覺特征和材料真實光學屬性進行的場景仿真。Ansys Speos光學仿真軟件基于可視化產品三維模型，直接采用數字樣機，使用虛擬環境仿真平臺，進行視覺功效虛擬分析和人因環境評估，在產品設計階段對的方案可行性進行驗證，在設計前期發現、反饋和處理問題，使光學設計以高效率、超同步、易優化的工作實現可靠的產品解決方案。
Lumerical
Lumerical是Ansys公司開發的用于微納光子器件、芯片及系統的設計仿真軟件，融合了FDTD、EME等求解器，對微納結構及其器件進行設計仿真分析。
咨詢與訂購方式
聯系人：光研科技南京有限公司 徐保平
手機號：15051861513
微信號：13627124798
展開 JCMsuite應用—單光子光源耦合至光纖
在本示例中，我們考慮將單個光子發射器耦合到光纖中。 有關系統和數值方法的詳細信息，請參見參考文獻[1]。
單光子源由一個嵌入在砷化鎵(GaAs)中制成的球形微透鏡中的量子點(QD)組成。底層的布拉格多層結構將量子點發出的光反射回上半球。光被耦合到量子點上方的光纖中，該光纖由均勻的光纖芯和光纖包層組成(見下圖)。
計算利用了設置的徑向對稱性。 因此，透鏡的形狀可以通過文件 layout.jcm 中定義的扇形和平行四邊形之間的布爾交集來創建。
對于光纖模式計算，可以從文件fiber_modes/layout.jcm中的完整系統布局中提取光纖橫截面的幾何形狀。
耦合效率的確定分三步進行：
1. 首先，確定光纖的傳播模式；
2. 接下來，必須模擬量子點發射的場。 與微透鏡內的波長相比，量子點的延伸相對較小。 因此可以將其建模為類點狀偶極源；
3. 最后，確定傳播光纖模式和發射場之間的重疊積分。 耦合效率由重疊量除以偶極子發射的總功率得到。 偶極子發射和重疊積分可以通過文件 project.jcmp 中定義的兩個后處理偶極發射和模態重疊獲得：
下圖顯示了對基本光纖模式和珀塞爾系數 [*] 作為透鏡直徑 和光纖芯直徑 的函數的耦合效率的掃描。
展開 JCMsuite應用：多核光子晶體光纖
在這個例子中，我們計算光子晶體光纖(PCF)的本征模如下圖所示。橫截面上的大量空氣孔是使用Lattice Copies生成的，因此一個基本的幾何圖案可以在布局中放置幾次。
這個例子的計算模式很好地限制在被光子晶體圖案包圍的光纖的7芯內。然而，我們要考慮到，由于主導波區域的折射率并不比外部大，輻射會泄漏到計算域的外部。因此，我們將透明邊界條件應用到布局的外部邊界。
下面的圖像顯示了對選擇的光纖計算后的模式強度：
在目前的PCF例子中，為了減少計算成本，應用切向磁邊界條件似乎是合理的，因為電場強度向邊界迅速降低。此外，給定PCF的對稱性允許我們將計算域的大小減少到四分之一。
展開 Ansys | 什么是表面等離子體光子學及其應用
表面等離子體激元，是自由載流子電子和光子在這些界面上相互作用產生的高度約束電磁波。
SPP的可調屬性實現了對光-物質相互作用進行納米級控制，從而在衍射極限光子器件和新一代集成電路納米級電子器件之間建立了一座橋梁。
納米級光信號的產生、放大、處理和路由為電信、生物化學、能量收集和傳感等不同領域的應用提供了許多機會。
以下是一些等離子體-電子-光子混合集成電路潛在應用的突出示例。
傳感器和生物傳感器
表面等離子體光子學材料支持局域表面等離子體共振（LSPR），可增強局部電磁場，從而顯著改進光譜學和傳感應用。
例如，等離子體誘導共振能量轉移（PIRET）可用于提高發光二極管（LED）的效率以及熒光傳感器的性能。
表面等離子體光子學的強大應用之一是：用于檢測微量生物或化學制劑的傳感器。在一個案例中，研究人員將一種容易與細菌毒素結合的物質涂在表面等離子體光子學納米材料上。這種毒素的存在改變了表面等離子體的頻率，因此改變了反射光的角度，這種效應可以非常精確地進行測量，即使是極小的毒素量也能被檢測到。
表面等離子體光子學技術在傳感方面的其他應用包括：區分病毒感染和細菌感染，以及用于監測充電速率和功率密度的電池內部傳感器。
表面等離子體共振（SPR）傳感器
SPR傳感器可有效取代基于色譜的環境污染物檢測技術。事實證明，SPR傳感技術能夠與色譜法一樣準確地檢測氯丁二烯，同時還能更快地獲得結果。
在其他領域，光纖SPR技術（即在光纖末端使用SPR傳感器），可促進光與表面等離子體的耦合。這有助于實現超靈敏、緊湊的傳感器件，其對于遙感應用特別實用。
石墨烯等離子體
在金納米結構上對石墨烯分層，被證明可提高SPR傳感器的性能。
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