硅基光子芯片
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-20
硅基光子芯片的實例教程
在硅光子技術快速發展的背景下，光纖與芯片波導的高效耦合始終是制約系統性能提升的關鍵瓶頸。近期，Xu等科研人員在《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》發表的研究成果，為這一難題提供了創新解決方案——一種基于梯度折射率（GRIN）透鏡并輔以互補錐結構的邊緣耦合器 ，實現了標準單模光纖（SMF）與硅波導的低損耗、寬帶寬、偏振不敏感耦合，同時顯著簡化了制造工藝，為硅基光子芯片的實用化進程提供了重要支撐。
硅光子耦合技術的現狀與挑戰
硅基光子芯片憑借低延遲、高傳輸速率等優勢，成為5G、云計算等領域的核心載體。然而，硅材料無法集成片上光源，需通過外部光纖與片上波導耦合實現光信號傳輸。目前主流的耦合方式中，光柵耦合存在損耗高、偏振敏感等局限；傳統邊緣耦合雖性能更優，但在適配標準單模光纖（SMF，模場直徑10.4μm）時，常因模場失配導致損耗增加，且復雜結構（如多層、3Dtaper）加劇了制造難度。
基于漸變折射率（GRIN）透鏡的邊緣耦合器因工藝穩定、偏振不敏感等特性被寄予厚望，但傳統設計需數十層交替材料，如Loh 等人設計的邊緣耦合器需要40對Si-SiO?交替層，Lim 等人的設計需要20層以上，這無疑增加了制造復雜性和成本。如何在簡化結構的同時保持高性能，成為該領域的核心挑戰。
創新設計：GRIN透鏡與互補錐結構的協同優化
（一）整體結構：兩層協同實現高效模場轉換
該耦合器基于標準SOI晶圓（BOX厚度3μm，頂層硅220nm），由GRIN透鏡與互補錐結構組成，如圖1所示。GRIN透鏡含5層SiON薄膜，折射率自上至下遞增，將SMF的10.4μm模場垂直壓縮至3.5μm并聚焦于底層；互補錐結構由SiON錐與Si逆錐構成，進一步壓縮模場至硅波導尺寸，實現高效匹配。
展開 他說，光子也可以被超高精度操縱。當然，它們是以光速傳播的。最重要的是，光子芯片可以利用計算機行業已經建立的整個基于硅的基礎設施。
這種芯片由很多個干涉儀組成，這些干涉儀將光子分成不同的空間模式。每個模式都穿過一個特定的波導，這樣使一個光子在一個波導中代表a 1，而在另一個波導中它代表a 0。知道一個光子走的是哪條路徑，就可以知道它的糾纏伙伴走的是哪個路徑。
光子使用由電壓控制的熱光移相器進行編碼。強曉剛說：“移相器的不同設置控制著光子在干涉儀中的傳播行為，使不同的量子比特狀態編碼和不同的量子操作成為可能。”
為了將該系統擴展成真正有用的東西，研究人員需要找到某種辦法，在芯片上產生更多相同的糾纏光子。在芯片上安裝足夠多的移相器、分束器和其他光學元件來處理所有這些光子，也是一項工程挑戰。但強曉剛表示，硅光子學已經顯示出了將許多元件塞進狹小空間并使它們全部以高精度工作的能力，“因此，它實際上是實現最終的大規模光量子處理器的可行方法。”
展開 CINNO Research產業資訊，8月26日，Sapien半導體宣布，與美國Big Tech公司簽訂了用于增強現實（AR）眼鏡的LEDoS(LED on Silicon）驅動芯片共同開發供應合同。合同規模為48億韓元（約2578萬人民幣），合同期限至2025年10月。
Sapien半導體的LEDoS互補金屬氧化物半導體（CMOS）背板產品（來源：Sapien半導體）
Sapien半導體在今年6月曾與LEDoS公司簽訂了44億韓元（約2363萬人民幣）的合同。同年7月，又與一家Micro Display模組公司簽訂了39億韓元（約2094萬人民幣）規模的CMOS背板開發合同。
Sapien半導體表示，“此次與位于美國硅谷的五大科技巨頭之一簽訂了合同，雙方將共同開發用于AR眼鏡的LEDoS顯示驅動芯片”。AR眼鏡用LEDoS的像素密度超過1萬PPI（每英寸像素數），而屏幕大小首選為0.1~0.2吋。
在開發過程中，將采用Sapien半導體的原創技術MiP（Memory Inside Pixel）驅動技術等。MiP是一種內置了存儲像素圖像信息的存儲器的數字驅動技術。
Sapien半導體稱，“在顯示產品供應體系中，我們繞過了顯示引擎制造企業的中間環節，實現了直接簽約。通常，顯示產品的開發供應體系是驅動芯片企業（Tier 2）通過引擎制造商（Tier 1）向科技巨頭企業供應的模式”，并稱“此次合同采取的是科技巨頭公司與Sapien半導體共同開發所需的規格，并直接連接至引擎制造企業的結構。”
Sapien半導體開發的LEDoS驅動芯片將應用于一般型AR眼鏡，預計將于明年上半年送樣。自6月以來，Sapien半導體已簽訂了3個供貨合同，并即將簽訂2個額外的供應合同。
展開 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
展開 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。
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硅基光子芯片的最新內容
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，標準的單模光纖的模場面積大約在 ，而波導的模場有效面積通常小于 ，在耦合過程中會產生極大的模場失配，進而產生較大的插入損耗。
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，標準的單模光纖的模場面積大約在 ，而波導的模場有效面積通常小于 ，在耦合過程中會產生極大的模場失配，進而產生較大的插入損耗。
硅光子耦合技術的現狀與挑戰
硅基光子芯片憑借低延遲、高傳輸速率等優勢，成為5G、云計算等領域的核心載體。然而，硅材料無法集成片上光源，需通過外部光纖與片上波導耦合實現光信號傳輸。
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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。
CINNO Research產業資訊，8月26日，Sapien半導體宣布，與美國Big Tech公司簽訂了用于增強現實（AR）眼鏡的LEDoS(LED on Silicon）驅動芯片共同開發供應合同。合同規模為48億韓元（約2578萬人民幣），合同期限至2025年10月。
Sapien半導體的LEDoS互補金屬氧化物半導體（CMOS）背板產品（來源：Sapien半導體）
本月推出6場Ansys直播，涉及Speos、LS-DYNA、zemax、電源芯片、光子集成等，以下為直播場次列表。
點擊直播名稱，了解更多~
7月4日
Ansys Speos Texture Mapping功能介紹及使用技巧
7月6日
Ansys Speos在HUD仿真中的解決方案
7月18日
LS-DYNA電池結構高級技術分析
7月20日
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？
客戶
美國集成光電子制造研究所（AIM Photonics）, 模擬光電（Analog Photonics）
客戶
美國集成光電子制造研究所（AIM Photonics）, 模擬光電（Analog Photonics）
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。
