光子芯片的案例
上海交大金賢敏團隊制備出軌道角動量波導光子芯片
12月7日，國際物理學權威期刊《物理評論快報》以“Mapping Twisted Light into and out of a Photonic Chip”為題發表了上海交通大學金賢敏團隊最新研究成果，報道了世界上首個軌道角動量（OAM）波導光子芯片。并且同時作為Editors’ Suggestion和Featured in Physics 亮點文章（highlighted article）在PRL網站首頁重點推薦，美國物理學會的《物理》期刊也做了同步發表亮點文章。
這是首次在光芯片內制備出可攜帶光子軌道角動量自由度的光波導，并實現在波導內高效和高保真地傳輸。這項研究進展使得未來在光子集成芯片內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芯片化集成化打開了大門。研究組發表文章前已經為該波導芯片申請了發明專利。
帶有螺旋形波陣面的軌道角動量光子通過芯片內的波導
顯微鏡下所觀察到的“甜甜圈”型波導的橫截面，波導直徑約為10微米
近年來，由于扭曲光（twisted light）獨特的特性，具有“甜甜圈”分布的強度結構，螺旋型波陣面的位相結構，攜帶軌道角動量的動態特性，使其被廣泛地應用于光束縛、光操縱以及光鉗等領域。不同于光的自旋角動量，軌道角動量擁有無限的拓撲荷和內在的正交性，可以為模式多路分發提供巨大的資源，用于解決通信系統上信道容量緊縮的問題。
展開 基于Optsim Circuit和OptoDesigner設計QPSK收發器光子集成芯片
硅光芯片是當前情況下非常熱的一個主題。隨著中美關系的惡化，光子集成芯片的設計也成為目前的一個“卡脖子”技術。本文主要說明如何用OptSim Circuit和OptoDesigner兩款軟件，進行數據中心常用的QPSK收發器光子集成芯片設計。
圖1：QPSK發射端的設計示意圖
如圖1 所示，QPSK發射端主要由分束器，馬赫-曾德爾調制器，相位調制器等組成。
圖2：OptSim Circuit中發射端的原理圖設計
圖2是在OptSim Circuit軟件中，實現的QPSK發射端的原理圖設計。設計中各個單元器件均來自Tower Semiconductor的PDK套件。
圖3：QPSK接受端的設計示意圖
如圖3所示，QPSK接受端主要由方向耦合器，光探測器，相位調制器等組成。
圖4：OptSim Circuit中的接收端原理圖設計
圖4是在OptSim Circuit軟件中，實現的QPSK接收端的原理圖設計。設計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仿真的眼圖結果
仿真驗證無誤之后，OptoDesigner 將對應的版圖做出（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。如有其它關于光子集成芯片的需求，歡迎通過微信公眾號聯系我們。
展開 案例分享 | 光電子集成電路仿真工具助力提高光子芯片可制造性
Analog Photonics的PDK器件庫率先在Lumerical的INTERCONNECT中支持統計學模型，這些光子模型基于器件的晶圓級測量數據，包含了波導、無源器件和有源器件的工藝誤差統計數據。該PDK可極大幫助光子芯片設計企業的產品開發，并由AIM Photonics多項目晶圓（MPW）服務在NY CREATES Albany納米技術中心先進的300mm微電子芯片制造廠生產。
AP_SUNY PDK 4.0a 是采用Lumerical緊湊模型的300mm晶圓半導體光子工藝設計套件，4.0a版本是在過去四年里的第七次重大更新。它包含60多個經過驗證且業界最佳的調制器和探測器，兼容3種AIM技術（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計學模型，其中包括：5個波導、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個馬赫澤德調制器、4個C+L頻帶可調諧微盤調制器、4個C+L頻帶可調諧濾波器和1個O頻帶微盤調制器）。
AP_SUNY PDK 4.0a基于此前的PDK v3.5b進行改進，增加了馬赫澤德調制器的摻雜分布統計變化模型。此外，還新增了四個器件，包含基于物理結構變化的統計分布。
Analog Photonics的PDK研發總監Erman Timurdogan博士表示：“采用v4.0a，用戶可以利用基于實驗數據的統計學模型，并且該組件庫可以支持Active Interposer。這些統計學模型可用于預測器件、系統或產品性能、良率和corner analysis，降低制造和測試的時間和費用。
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Analog Photonics的PDK器件庫率先在Lumerical的INTERCONNECT中支持統計學模型，這些光子模型基于器件的晶圓級測量數據，包含了波導、無源器件和有源器件的工藝誤差統計數據。該PDK可極大幫助光子芯片設計企業的產品開發，并由AIM Photonics多項目晶圓（MPW）服務在NY CREATES Albany納米技術中心先進的300mm微電子芯片制造廠生產。
AP_SUNY PDK 4.0a 是采用Lumerical緊湊模型的300mm晶圓半導體光子工藝設計套件，4.0a版本是在過去四年里的第七次重大更新。它包含60多個經過驗證且業界最佳的調制器和探測器，兼容3種AIM技術（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計學模型，其中包括：5個波導、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個馬赫澤德調制器、4個C+L頻帶可調諧微盤調制器、4個C+L頻帶可調諧濾波器和1個O頻帶微盤調制器）。
AP_SUNY PDK 4.0a基于此前的PDK v3.5b進行改進，增加了馬赫澤德調制器的摻雜分布統計變化模型。此外，還新增了四個器件，包含基于物理結構變化的統計分布。
Analog Photonics的PDK研發總監Erman Timurdogan博士表示：“采用v4.0a，用戶可以利用基于實驗數據的統計學模型，并且該組件庫可以支持Active Interposer。這些統計學模型可用于預測器件、系統或產品性能、良率和corner analysis，降低制造和測試的時間和費用。
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光芯片將是芯片瓶頸的答案？
IBM研發出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突破。
業內普遍認為，芯片技術日新月異的同時，也一步步逼近其物理理論的極限。
近日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）教授Tobias Kippenberg團隊開發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，得到了創紀錄的低光學損耗，且芯片尺寸小。相關研究發表在《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特性，但難以滿足集成光子芯片所需的一切條件，因此出現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團隊采用一種氮化硅光子大馬士革工藝（光子鑲嵌工藝）技術。
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 芯片熱潮之下的前瞻思考
2014年10月美國總統奧巴馬宣布光子集成技術國家戰略,聯邦政府結合社會資本投入6.5億美元打造光子集成芯片研發制備平臺。2015年,美國建立了“國家光子計劃”產業聯盟,明確將支持發展光子基礎研究與早期應用研究計劃開發,支持4大研究領域及3個應用能力技術開發,并提出了每一項可開發領域的機會和目標。
除了上述的高速集成相干光發射機和接收機，光子集成芯片技術還有兩個更重要的分支:一是集成微波光子(IMWP)芯片,主要應用于軍事和民用無線電系統,如意大利的 PHODIR(基于光子學的全數字雷達)、俄羅斯的基于微波光子學的有源相控陣雷達系統 ROFAR、歐洲的GAA(下一代SAR的光子前端)和 HAMLET計劃等;二是數字光子芯片,如光學DSP、光子計算芯片和光子AI芯片等。
總體來講,我國光子集成技術還處于起步階段,制約我國光子集成技術發展的突出問題包括學科和研究碎片化,人才匱乏,缺乏系統架構研究與設計,工藝設備的研發實力薄弱,缺乏標準化和規范化的光子集成技術工藝平臺,以及芯片封裝和測試分析技術落后等。幸運的是,該領域尚未形成壟斷和巨頭,如果超前布局,精心組織和重點投入,我們仍有趕超的機會和時間窗。
(1) 集成微波光子(IMWP)芯片
無線技術平臺經過數十年從數字無線電到軟件無線電的演進,目前下一代無線技術平臺正在呼之欲出。未來全球電信網絡以及雷達、通信和航天工業中新興的大規模應用都將需要全新的技術來解決當前電子技術對于大容量和超寬帶連接的限制。鑒于集成微波光子芯片具有更高的精度、更大的帶寬、更強的靈活性和抗干擾能力,因此被認為是具有競爭力的下一代無線技術平臺。俄羅斯甚至稱有可能徹底放棄微波電子學,轉而專攻微波光子學。目前在俄羅斯大約有850家公司參與微波光子學的研究和開發。
展開 寫在硅光技術爆發前夜
當格芯推出硅光代工平臺，誓要成為領先硅光子代工廠；長電科技預測硅光封裝成為未來趨勢之時，這項早在上世紀提出的技術，正悄悄改變著半導體行業。
云時代帶來的海量數據、逼近極限需要解決的節點間隙，這些可以通過光子解決的問題，正一步一步推動著硅光子前行。
硅光技術正在爆發前夜。
硅光子已成為未來趨勢
早在上個世紀90年代，IT從業者就開始為傳統半導體產業尋找繼任者，光子技術一度被認為是最有希望的技術。
硅光是以硅光子學為基礎的低成本、高速的光通信技術，利用基于硅材料的CMOS微電子工藝實現光子器件的集成制備，融合了CMOS技術的超大規模邏輯、超高精度制造的特性以及光子技術超高速率、超低功耗的優勢，把原本分離器件眾多的光、電元件縮小集成到一個獨立微芯片中，實現高集成度、低成本、高速光傳輸。
硅光技術的發展可以分為三個階段。第一，硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底層器件做出來，達到工藝的標準化；第二，集成技術從耦合集成向單片集成演進，實現部分集成，再把這些器件像樂高積木一樣，通過不同器件的組合，集成不同的芯片；第三，光電一體技術融合，實現光電全集成化。把光和電都集成起來，實現更加復雜的功能。
目前硅光技術已經發展到了第二個階段。
在制造工藝上，光子芯片和電子芯片雖然在流程和復雜程度上相似，但光子芯片對結構的要求不像電子芯片那樣嚴苛，一般是百納米級。這大大降低了對先進工藝的依賴，在一定程度上緩解了當前芯片發展的瓶頸問題。
阿里巴巴達摩院發布的2022十大科技趨勢中，硅光芯片是其預測的趨勢之一。隨著云計算與人工智能的大爆發，硅光芯片迎來技術快速迭代與產業鏈高速發展。
展開 智芯文庫 | 一文讀懂全球半導體市場
光子芯片或成為芯片發展的新賽道。光子芯片是利用光信號進行數據獲取、傳輸、計算、存儲和顯示的芯片。目前，光子芯片應用于光通信中，特別是在建設數據中心基礎設施的驅動下，硅光子學被用于將光學組件集成到硅芯片上，以利用CMOS的低成本、可擴展性以及CMOS設備的制造和組裝的便利性。相對電子驅動的集成電路，光子芯片具有超高速率、超低功耗等特點。理論上，光子芯片規模可以調制，并且光的特性先天適合線性計算，包含高密度的并行計算。在AI高速發展的當下，光子芯片運行矩陣乘法效果有機會比現有電子芯片效果好成百上千倍，吸引了學術界和產業界爭相探索光子計算帶來的機會。
受“碳中和”趨勢影響，可提升能源轉換效率的第三代半導體產業正在加速發展。隨著新冠肺炎疫情的影響逐漸減小，工業能源轉換所需零組件如逆變器、變頻器等，以及通信基站需求回穩。隨著特斯拉（Tesla）Model3電動車逆變器逐漸改采SiC（碳化硅）元件制程后，第三代半導體在車用市場逐漸備受重視。
以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的第三代半導體具備耐高溫、耐高壓、高頻率、大功率等優勢，相比硅器件可降低50%以上的能量損失，并減小75%以上的裝備體積，是助力節能減排，并實現“碳中和”目標的重要發展方向。
展開 浙江大學Nature：讓光急轉彎，讓物體隱身！
三維世界光子的“高速公路”，是“Z”字形的。表面波在界面傳播時，能夠無障礙的繞過Z型拐角。“通過對材料內部及表面電磁場分布成像，我們觀測到了該材料的三維能隙，以及具有二維狄拉克錐形式的表面態——這些正是三維光學拓撲絕緣體的關鍵特征。”楊怡豪說。
圖：表面波無障礙繞過Z型拐角
“對表面波來說，這些拐角就像被隱形一樣，而能夠繞過拐角實現高效地傳播，這正是受益于三維光學拓撲絕緣體的拓撲保護特性。”陳紅勝說。這便是“光子高速公路”的神奇之處。“在這條高速公路上，無論道路多么曲折，光子都能一往無前。”楊怡豪說。“這就能避免光發生散射導致信息耗散的問題。”
“我們的工作首次賦予了三維光子帶隙以拓撲性質，也就是說，將來可以像三維拓撲絕緣體控制電子一樣用三維拓撲光子晶體來控制光子。”Baile Zhang教授說。
陳紅勝認為，這項研究首次將三維拓撲絕緣體從費米子體系擴展到了玻色子體系，并可能應用于三維拓撲光學集成電路、拓撲波導、光學延遲線、拓撲激光器以及其他表面電磁波的調控器件等。
這或許是人類向光子芯片、光子計算機邁出的一步。未來，在微小的光子芯片里，光攜帶著信息在縱橫交錯的高速公路上奔跑，為我們創造著更快更好的世界。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0829-0 來源：浙江大學學術委員會、Nature
展開 Ansys Lumerical | 通過微透鏡和端面耦合器將光纖與光子芯片耦合
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在本案例中，我們演示了使用微透鏡和端面耦合器進行光纖到光子芯片的耦合。我們引入 Zemax OpticStudio以解決實際錯位情況下通過微光學元件的傳播問題。作為演示，我們在正常條件下通過各個步驟查看功率損耗，然后進行非理想情況、自定義選項和復雜的公差研究。我們將討論影響仿真精度的重要模型設置；然后提供有關如何分析不同對準場景或使用自定義光學元件的指南。
概述
在光子學中，將信號耦合到芯片是一項獨特的挑戰，需要精確對準和復雜的封裝。鑒于耦合性能對芯片的功能至關重要，因此這種設計因為產量損失、過度設計和額外的加工/封裝費用占技術成本的很大一部分也就不足為奇了。隨著行業趨勢朝著 3D 集成電路內共封裝光學器件的方向發展，開發工作流程以準確模擬可靠性并做出經濟可行的設計決策變得勢在必行。
雖然尚無行業標準，但耦合是通過光柵耦合器、衰減耦合器或端面耦合器等標準器件實現的。端面耦合器是制造在芯片邊緣的，將光纖靠近芯片邊緣，并采用大尺寸模斑轉換器（SSC）將較大的光纖模式絕熱轉換為波導模式。雖然這些器件在放置位置和尺寸方面存在限制，但它們可以提供寬帶、偏振不敏感性和低插入損耗（IL）。本征模展開法（EME）是一種沿傳播軸分析導模光學有效且準確的方法，非常適合高效仿真SSC器件，而這些器件通常對于FDTD來說太大了。
假設光纖和SSC之間完美接觸和對準，這在考慮IL時是合理的；但這沒法分析錯位的容差，也無助于設計在制造/封裝變化下穩健的系統。為此，我們拓展了結合Zemax的物理光學傳播（POP）工具的方法，以可靠地仿真錯位并分析更復雜的光學系統。
步驟1：Lumerical MODE 中的光纖分析（可選）
使用FDE求解器求解光纖的模式，并通過.ZBF格式將模場導出到OpticStudio。
展開 【Lumerical系列】一種高效多模耦合/（解）復用的新方案
</p><p class="ql-align-center">（a）結構示意圖；（b）LP11b入射的光場圖；（c）LP01入射的光場圖</p><p><br></p><p><strong>偏振不敏感\硅基模斑轉換器</strong></p><p>為了實現石英光波導中的導模與硅光子波導中的TE0/TM0模之間的有效耦合，提出了一種雙能級多芯偏振不敏感SSC，如圖6所示。首先將條形硅光子波導演化為具有絕熱錐度的三芯波導，然后將三芯波導的三個芯逐漸分離，以實現與硅光波導中模式的最大空間重疊。特別地，在SSC的每個芯的端部處引入角度蝕刻的雙層錐形，這有效地削弱了垂直方向上的模式限制，大大提高了TE0和TM0模式的耦合效率。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202604/imgs/5cf05b640d6d4bafac182d3144074061"></p><p class="ql-align-center">圖6 SSC結構示意圖</p><p><br></p><p><strong>總結與展望</strong></p><p>該多模耦合方案為實現有效的模式耦合/解復用以連接FMF和硅光子芯片提供了一種有希望的選擇。為了在MDM系統中進一步采用，可以引入MIMO DSP方法以降低由于傳輸中的模間串擾而引起的負面影響。另外，該方案綜合了石英光波導對LP模式的控制以及硅光波導對偏振處理的優點，為雙偏振多模信道的光纖-芯片耦合提供了一種有效的解決方案。通過引入具有更多模式信道的PLC模式（解）復用器，可以按比例增加模式信道數量。因此，所提出的具有模式（解）復用/耦合的光子芯片為MDM系統所期望的芯片-FMF連接提供了有希望的選擇。預計它還將擴展到基于其他材料（如鈮酸鋰、氮化硅和硫屬化物）的光子芯片。
展開 
Lumerical系列| 一種高效多模耦合/（解）復用的新方案
首先將條形硅光子波導演化為具有絕熱錐度的三芯波導，然后將三芯波導的三個芯逐漸分離，以實現與硅光波導中模式的最大空間重疊。特別地，在SSC的每個芯的端部處引入角度蝕刻的雙層錐形，這有效地削弱了垂直方向上的模式限制，大大提高了TE0和TM0模式的耦合效率。
圖6 SSC結構示意圖
總結與展望
該多模耦合方案為實現有效的模式耦合/解復用以連接FMF和硅光子芯片提供了一種有希望的選擇。為了在MDM系統中進一步采用，可以引入MIMO DSP方法以降低由于傳輸中的模間串擾而引起的負面影響。另外，該方案綜合了石英光波導對LP模式的控制以及硅光波導對偏振處理的優點，為雙偏振多模信道的光纖-芯片耦合提供了一種有效的解決方案。通過引入具有更多模式信道的PLC模式（解）復用器，可以按比例增加模式信道數量。因此，所提出的具有模式（解）復用/耦合的光子芯片為MDM系統所期望的芯片-FMF連接提供了有希望的選擇。預計它還將擴展到基于其他材料（如鈮酸鋰、氮化硅和硫屬化物）的光子芯片。
Ansys Lumerical軟件試用申請，歡迎聯系摩爾芯創。
仿真方法
采用三維有限差分光束傳輸法對MWS和PLC模式（解）復用器進行了數值模擬。在ANSYS Lumerical FDE求解器中計算MWS-FMF和SSC-PLC的重疊耦合損耗。利用三維時域有限差分法（3D-FDTD）計算了SSC與石英單模波導之間的總耦合損耗。
參考：
[1] Yi, X., Zhao, W., Zhang, L., Shi, Y., & Dai, D. (2024). Efficient mode coupling/(de) multiplexing between a few-mode fiber and a silicon photonic chip.
展開 討論有獎 | 光芯片未來會取代電子芯片嗎？
光子芯片是以光為媒介，用光波（電磁波）來傳遞信息的芯片。
除了硅基芯片之外，光子芯片也是未來的一大重點。
其原理跟硅芯片不同，運算速度可提升1000倍以上，而且不依賴先進的光刻機，比如EUV光刻機，因此是各國爭相發展的新一代信息科技。
本周討論話題：光芯片如今發展到什么程度了？它有什么優勢，未來會代替電子芯片嗎？
在評論區留下你的聲音，我們將在11月11日隨機從評論中選取五名用戶（點贊數越高幾率越大）分別送出技術鄰定制鑰匙扣、技術鄰VIP月卡、20元視頻優惠券、10元視頻優惠券、500金幣，參與活動的每人均可獲得100金幣。
展開 延續摩爾定律的“新”方法：將光子學導入芯片
而首個項目將會是極端可擴展性光子學封裝（ Photonics in the Package for Extreme Scalability，PIPES），它將探索把光子學技術帶入芯片的技術。
此技術透過用光學元件取代電學元件，將可降低將數百個處理器連接在一起所需的工藝及能源需求，并實現大規模并行，將能有效支持數據密集型應用，如人工智慧等技術。且PIPES 還將致力于建立一個國內生態系統，令商業及國防們能不斷獲得先進技術的支援。
此項目首先關注的是先進集成電路封裝的高性能光學I/O 技術的發展，包括現場可編程閘門陣列、圖形處理單元及專用集成電路。其次，將研究新型器件技術和先進鏈路，以實現高度可擴展性及封裝 I/O 。但這種新型的系統架構及大型分布式并行計算的發展將可能具有上千個節點，極為復雜且非常難以管理。而為了解決這個問題，第三項重點將研發低損耗光學封裝方法，以實現高溝道密度和高端口數量，及可重構、低功耗的光學開關技術。
正在進行研究的光子學可能會作為改進我們現有工藝的手段。 CPU，GPU，FPGA和ASIC都依賴于更小的晶體管來以更低的功耗擠出更多的性能。啟用基于光的互連允許延遲取決于通過介質的光速而不是通過半導體的電流。但我們也應該看到，嵌入微電子系統的光子學理論已存在數十年，但尚未完全解決可行性問題。與傳統硅不同，光子器件目前不能很好地擴展以便于大規模生產。
當然DARPA 也強調，還是會著力在ERI 計劃中各個項目的聯系，并應用在先進衛星系統、大規模辨識系統以及網路安全等，掌握這些新興技術的潛在風險，并保證這些項目將有助于維持國家安全。
展開 7月Ansys直播合集 | LS-DYNA、Speos、zemax、電源芯片、光子集成...
source=jishulink
采用 Ansys 設計優化光子集成器件與電路
光子器件設計師將在本次會議中學習如何使用 Ansys Lumerical Multiphysics和 optiSLang 設計有源光子組件。我們將展示使用 FDTD、MODE、CHARGE 和 optiSLang 進行 ring modulator的多物理場仿真，PIC 設計人員將學習如何使用我們的光子電路求解器INTERCONNECT 和優化工具 optiSLang 來優化光子集成電路，同時還會展示使用 INTERCONNECT 和 optiSLang 優化 4 通道 DWDM 電路。
點擊報名：https://v.ansys.com.cn/live/E1oDMLWU?source=jishulink
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