光子芯片
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-04
光子芯片的實(shí)例教程
12月7日，國際物理學(xué)權(quán)威期刊《物理評論快報》以“Mapping Twisted Light into and out of a Photonic Chip”為題發(fā)表了上海交通大學(xué)金賢敏團(tuán)隊(duì)最新研究成果，報道了世界上首個軌道角動量（OAM）波導(dǎo)光子芯片。并且同時作為Editors’ Suggestion和Featured in Physics 亮點(diǎn)文章（highlighted article）在PRL網(wǎng)站首頁重點(diǎn)推薦，美國物理學(xué)會的《物理》期刊也做了同步發(fā)表亮點(diǎn)文章。
這是首次在光芯片內(nèi)制備出可攜帶光子軌道角動量自由度的光波導(dǎo)，并實(shí)現(xiàn)在波導(dǎo)內(nèi)高效和高保真地傳輸。這項(xiàng)研究進(jìn)展使得未來在光子集成芯片內(nèi)高效利用光子軌道角動量這一新興的的自由度成為可能，為基于光子軌道角動量自由度的光信息以及量子信息技術(shù)芯片化集成化打開了大門。研究組發(fā)表文章前已經(jīng)為該波導(dǎo)芯片申請了發(fā)明專利。
帶有螺旋形波陣面的軌道角動量光子通過芯片內(nèi)的波導(dǎo)
顯微鏡下所觀察到的“甜甜圈”型波導(dǎo)的橫截面，波導(dǎo)直徑約為10微米
近年來，由于扭曲光（twisted light）獨(dú)特的特性，具有“甜甜圈”分布的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，螺旋型波陣面的位相結(jié)構(gòu)，攜帶軌道角動量的動態(tài)特性，使其被廣泛地應(yīng)用于光束縛、光操縱以及光鉗等領(lǐng)域。不同于光的自旋角動量，軌道角動量擁有無限的拓?fù)浜珊蛢?nèi)在的正交性，可以為模式多路分發(fā)提供巨大的資源，用于解決通信系統(tǒng)上信道容量緊縮的問題。
展開 硅光芯片是當(dāng)前情況下非常熱的一個主題。隨著中美關(guān)系的惡化，光子集成芯片的設(shè)計(jì)也成為目前的一個“卡脖子”技術(shù)。本文主要說明如何用OptSim Circuit和OptoDesigner兩款軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)中心常用的QPSK收發(fā)器光子集成芯片設(shè)計(jì)。
圖1：QPSK發(fā)射端的設(shè)計(jì)示意圖
如圖1 所示，QPSK發(fā)射端主要由分束器，馬赫-曾德爾調(diào)制器，相位調(diào)制器等組成。
圖2：OptSim Circuit中發(fā)射端的原理圖設(shè)計(jì)
圖2是在OptSim Circuit軟件中，實(shí)現(xiàn)的QPSK發(fā)射端的原理圖設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中各個單元器件均來自Tower Semiconductor的PDK套件。
圖3：QPSK接受端的設(shè)計(jì)示意圖
如圖3所示，QPSK接受端主要由方向耦合器，光探測器，相位調(diào)制器等組成。
圖4：OptSim Circuit中的接收端原理圖設(shè)計(jì)
圖4是在OptSim Circuit軟件中，實(shí)現(xiàn)的QPSK接收端的原理圖設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中各個單元器件均來自Tower Semiconductor的PDK套件。
圖5：OptSim Circuit中的QPSK測試平臺
為了仿真QPSK的性能，在OptSim Circuit中搭建了如圖5所示的測試平臺。如圖6所示，眼圖非常清晰。
圖6：OptSim Circuit中的QPSK仿真的眼圖結(jié)果
仿真驗(yàn)證無誤之后，OptoDesigner 將對應(yīng)的版圖做出（如圖7所示）。得到的版圖布局直接可以通過foundry去流片獲取芯片。
圖7：OptoDesigner中的版圖布局
本文只是光子集成芯片的一個范例。如有其它關(guān)于光子集成芯片的需求，歡迎通過微信公眾號聯(lián)系我們。
展開 Analog Photonics的PDK器件庫率先在Lumerical的INTERCONNECT中支持統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，這些光子模型基于器件的晶圓級測量數(shù)據(jù)，包含了波導(dǎo)、無源器件和有源器件的工藝誤差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。該P(yáng)DK可極大幫助光子芯片設(shè)計(jì)企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)，并由AIM Photonics多項(xiàng)目晶圓（MPW）服務(wù)在NY CREATES Albany納米技術(shù)中心先進(jìn)的300mm微電子芯片制造廠生產(chǎn)。
AP_SUNY PDK 4.0a 是采用Lumerical緊湊模型的300mm晶圓半導(dǎo)體光子工藝設(shè)計(jì)套件，4.0a版本是在過去四年里的第七次重大更新。它包含60多個經(jīng)過驗(yàn)證且業(yè)界最佳的調(diào)制器和探測器，兼容3種AIM技術(shù)（passive, full-build and passive interposer）。PDK器件庫中，所有對工藝敏感的器件均含有統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，其中包括：5個波導(dǎo)、5個無源器件（C+L頻帶3端口分路器、C+L頻帶4端口分路器、C+L頻帶99/1 tap、C+L頻帶90/10 tap、O頻帶4端口分路器）和12個有源器件（3個馬赫澤德調(diào)制器、4個C+L頻帶可調(diào)諧微盤調(diào)制器、4個C+L頻帶可調(diào)諧濾波器和1個O頻帶微盤調(diào)制器）。
AP_SUNY PDK 4.0a基于此前的PDK v3.5b進(jìn)行改進(jìn)，增加了馬赫澤德調(diào)制器的摻雜分布統(tǒng)計(jì)變化模型。此外，還新增了四個器件，包含基于物理結(jié)構(gòu)變化的統(tǒng)計(jì)分布。
Analog Photonics的PDK研發(fā)總監(jiān)Erman Timurdogan博士表示：“采用v4.0a，用戶可以利用基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，并且該組件庫可以支持Active Interposer。這些統(tǒng)計(jì)學(xué)模型可用于預(yù)測器件、系統(tǒng)或產(chǎn)品性能、良率和corner analysis，降低制造和測試的時間和費(fèi)用。
展開 Analog Photonics的PDK器件庫率先在Lumerical的INTERCONNECT中支持統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，這些光子模型基于器件的晶圓級測量數(shù)據(jù)，包含了波導(dǎo)、無源器件和有源器件的工藝誤差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。該P(yáng)DK可極大幫助光子芯片設(shè)計(jì)企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)，并由AIM Photonics多項(xiàng)目晶圓（MPW）服務(wù)在NY CREATES Albany納米技術(shù)中心先進(jìn)的300mm微電子芯片制造廠生產(chǎn)。
AP_SUNY PDK 4.0a 是采用Lumerical緊湊模型的300mm晶圓半導(dǎo)體光子工藝設(shè)計(jì)套件，4.0a版本是在過去四年里的第七次重大更新。它包含60多個經(jīng)過驗(yàn)證且業(yè)界最佳的調(diào)制器和探測器，兼容3種AIM技術(shù)（passive, full-build and passive interposer）。PDK器件庫中，所有對工藝敏感的器件均含有統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，其中包括：5個波導(dǎo)、5個無源器件（C+L頻帶3端口分路器、C+L頻帶4端口分路器、C+L頻帶99/1 tap、C+L頻帶90/10 tap、O頻帶4端口分路器）和12個有源器件（3個馬赫澤德調(diào)制器、4個C+L頻帶可調(diào)諧微盤調(diào)制器、4個C+L頻帶可調(diào)諧濾波器和1個O頻帶微盤調(diào)制器）。
AP_SUNY PDK 4.0a基于此前的PDK v3.5b進(jìn)行改進(jìn)，增加了馬赫澤德調(diào)制器的摻雜分布統(tǒng)計(jì)變化模型。此外，還新增了四個器件，包含基于物理結(jié)構(gòu)變化的統(tǒng)計(jì)分布。
Analog Photonics的PDK研發(fā)總監(jiān)Erman Timurdogan博士表示：“采用v4.0a，用戶可以利用基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，并且該組件庫可以支持Active Interposer。這些統(tǒng)計(jì)學(xué)模型可用于預(yù)測器件、系統(tǒng)或產(chǎn)品性能、良率和corner analysis，降低制造和測試的時間和費(fèi)用。
展開 IBM研發(fā)出2納米制程芯片的消息尚未傳開，臺積電和合作伙伴就宣布取得了1納米以下制程芯片技術(shù)突破。
業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，芯片技術(shù)日新月異的同時，也一步步逼近其物理理論的極限。
近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）教授Tobias Kippenberg團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種采用氮化硅襯底制造集成光子電路（光子芯片）的技術(shù)，得到了創(chuàng)紀(jì)錄的低光學(xué)損耗，且芯片尺寸小。相關(guān)研究發(fā)表在《自然—通訊》上。
光子芯片奮起直追，也許能幫助人們突破摩爾定律的“天花板”，開辟新的“賽道”。
氮化硅微腔光學(xué)芯片圖片來源：《自然—通訊》
“硅家族”與大馬士革工藝
光子芯片通常由硅制成，硅在地殼中含量豐富且具有良好的光學(xué)特性，但難以滿足集成光子芯片所需的一切條件，因此出現(xiàn)了諸多新材料加以替代，如氮化硅、二氧化硅、氮化鋁、鈮酸鋰、碳化硅等。
Tobias Kippenberg團(tuán)隊(duì)采用一種氮化硅光子大馬士革工藝（光子鑲嵌工藝）技術(shù)。
大馬士革工藝是一種非常古老的工藝，最早可以追溯到阿拉伯人在他們的武器和裝飾上面做顏色的鑲嵌和繪圖。
這個工藝要先做出圖形輪廓，然后把顏色材料鑲嵌到輪廓中再進(jìn)行拋光，這樣就得到一個色彩艷麗的圖案。
“大馬士革工藝思路曾被用在早期以銅為材料的電子電路制造上。研究當(dāng)中，我們把氮化硅大馬士革工藝用到集成光路制造上，得到了極低的光損耗。”
展開 
光子芯片的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
光子芯片的最新內(nèi)容
Virtuoso interop platform：Cadence Virtuoso、Spectre與Ansys Lumerical INTERCONNECT之間的集成，使用戶能夠協(xié)同設(shè)計(jì)帶有電子控制功能的復(fù)雜光子芯片，并對完整的electro-photonic電路進(jìn)行協(xié)同仿真。
光波導(dǎo)作為 AR/VR 顯示、光通信、光子集成芯片等領(lǐng)域的核心光學(xué)組件，正驅(qū)動下一代光電產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新。但從設(shè)計(jì)到量產(chǎn)的全流程中，跨尺度物理建模、多物理場耦合、光柵參數(shù)優(yōu)化、雜散光抑制等核心難題，讓大多的光學(xué)工程師反復(fù)陷入設(shè)計(jì)陷阱。
當(dāng)前主流光學(xué)軟件在光波導(dǎo)場景下存在顯著功能短板，而行業(yè)高速擴(kuò)張的需求與設(shè)計(jì)工具的滯后性形成尖銳矛盾。
[20] Lumotive于2026年3月演示了全球首款可編程二維光子波束成形芯片，采用液晶超構(gòu)表面技術(shù)，可實(shí)時動態(tài)形成和重塑光束。[21]
2.4 三類工具的協(xié)同：從“光傳輸”到“光編碼”
自由曲面光學(xué)負(fù)責(zé)宏觀波前整形，液體透鏡負(fù)責(zé)動態(tài)調(diào)焦，超構(gòu)表面負(fù)責(zé)像素級的頻譜和偏振編碼。
適合人群：光學(xué)工程師、光子芯片設(shè)計(jì)師、AR/VR開發(fā)者
NO.5 Ansys Discovery 2026 R1重磅更新：散熱與流體能力升級
核心價值：CHT+焦耳熱，電-熱耦合一步到位；流體虛擬壁面，薄擋板無需建實(shí)體；面向設(shè)計(jì)早期的實(shí)時仿真。
①由于微環(huán)調(diào)制器的尺寸很小，可以集成在高密度的光子芯片上。②由于微環(huán)諧振腔的高Q值，微環(huán)調(diào)制器可以在較低功率下工作，有助于降低整體功耗。③能夠?qū)崿F(xiàn)高速調(diào)制，適用于高速光通信系統(tǒng)。
微環(huán)結(jié)構(gòu)的不足之處在于：①受限于諧振條件，微環(huán)調(diào)制器的調(diào)制帶寬相對較小，對波長漂移非常敏感，不適用于寬帶應(yīng)用。②微環(huán)調(diào)制器對溫度變化非常敏感，溫度的波動可能導(dǎo)致共振波長的漂移，從而影響調(diào)制性能。需要額外設(shè)計(jì)補(bǔ)償機(jī)制。
引言
集成光子芯片中光的輸入和輸出有兩種常用方法，即通過光柵耦合器或端面耦合器。雖然光柵耦合器為從芯片上的任何位置輸入和輸出光提供了一種非破壞性解決方案，但由于光柵耦合器的色散工作原理，其帶寬可能受到限制。而端面耦合器需要額外的切割和拋光工藝來創(chuàng)建耦合面，但其優(yōu)勢在于能提供較大的工作帶寬。
然而，芯片與外界信息交互時需要光纖傳輸，其次，硅基光子芯片的光源集成難度較大，因此需要光纖耦合來提供光源。但是SOI條形波導(dǎo)與光纖直接耦合的效率并不高，甚至低于10%，主要原因在于兩者的模場面積相差較大，標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖的模場面積大約在 ，而波導(dǎo)的模場有效面積通常小于 ，在耦合過程中會產(chǎn)生極大的模場失配，進(jìn)而產(chǎn)生較大的插入損耗。
然而，芯片與外界信息交互時需要光纖傳輸，其次，硅基光子芯片的光源集成難度較大，因此需要光纖耦合來提供光源。但是SOI條形波導(dǎo)與光纖直接耦合的效率并不高，甚至低于10%，主要原因在于兩者的模場面積相差較大，標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖的模場面積大約在 ，而波導(dǎo)的模場有效面積通常小于 ，在耦合過程中會產(chǎn)生極大的模場失配，進(jìn)而產(chǎn)生較大的插入損耗。
因此，所提出的具有模式（解）復(fù)用/耦合的光子芯片為MDM系統(tǒng)所期望的芯片-FMF連接提供了有希望的選擇。預(yù)計(jì)它還將擴(kuò)展到基于其他材料（如鈮酸鋰、氮化硅和硫?qū)倩铮┑?em>光子芯片。
Ansys Lumerical軟件試用申請，歡迎聯(lián)系摩爾芯創(chuàng)。
仿真方法
采用三維有限差分光束傳輸法對MWS和PLC模式（解）復(fù)用器進(jìn)行了數(shù)值模擬。
然而，光纖與硅光子芯片的高效耦合一直是技術(shù)難點(diǎn)——尤其是如何在實(shí)現(xiàn)高效率的同時兼容偏振分集。近日，一項(xiàng)發(fā)表在《IEEE PHOTONICS JOURNAL》的研究提出了一種基于多極輻射模式增強(qiáng)的雙層二維光柵耦合器 ，為硅光子器件的規(guī)模化應(yīng)用提供了新思路。本文將從技術(shù)背景、設(shè)計(jì)原理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果展開解析。
