硅基光子芯片的案例
Lumerical案例| 基于漸變折射率透鏡的邊緣耦合器
在硅光子技術快速發(fā)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(fā)表的研究成果，為這一難題提供了創(chuàng)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(zhàn)
硅基光子芯片憑借低延遲、高傳輸速率等優(yōu)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(yōu)，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(wěn)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(zhàn)。
創(chuàng)新設計：GRIN透鏡與互補錐結構的協同優(yōu)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 中外科研人員合作開發(fā)出一款光量子硅基芯片
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(yè)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(tài)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(zhàn)。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(guī)模光量子處理器的可行方法。”
展開 Sapien半導體與美國BigTech公司簽訂AR用硅基MicroLED DDI芯片訂單
CINNO Research產業(yè)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(fā)供應合同。合同規(guī)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(guī)模的CMOS背板開發(fā)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(fā)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(fā)過程中，將采用Sapien半導體的原創(chuàng)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(yè)的中間環(huán)節(jié)，實現了直接簽約。通常，顯示產品的開發(fā)供應體系是驅動芯片企業(yè)（Tier 2）通過引擎制造商（Tier 1）向科技巨頭企業(yè)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(fā)所需的規(guī)格，并直接連接至引擎制造企業(yè)的結構。”
Sapien半導體開發(fā)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 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(yōu)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(yōu)化工具 optiSLang 來優(yōu)化光子集成電路，同時還會展示使用 INTERCONNECT 和 optiSLang 優(yōu)化 4 通道 DWDM 電路。
點擊報名：https://v.ansys.com.cn/live/E1oDMLWU?source=jishulink
展開 
延續(xù)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(guī)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(tài)系統，令商業(yè)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(fā)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(fā)展將可能具有上千個節(jié)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(fā)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(guī)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(wèi)星系統、大規(guī)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 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(fā)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(fā)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(fā)表文章前已經為該波導芯片申請了發(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(tài)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(fā)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 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(zhàn)，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(yè)趨勢朝著 3D 集成電路內共封裝光學器件的方向發(fā)展，開發(fā)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(yè)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(wěn)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 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(yè)的產品開發(fā)，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(yè)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(fā)總監(jiān)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。
展開 基于Optsim Circuit和OptoDesigner設計QPSK收發(fā)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(fā)器光子集成芯片設計。
圖1：QPSK發(fā)射端的設計示意圖
如圖1 所示，QPSK發(fā)射端主要由分束器，馬赫-曾德爾調制器，相位調制器等組成。
圖2：OptSim Circuit中發(fā)射端的原理圖設計
圖2是在OptSim Circuit軟件中，實現的QPSK發(fā)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(yè)的產品開發(fā)，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(yè)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(fā)總監(jiān)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。
展開 【Lumerical系列】無源器件-端面耦合器1丨綜述
背景介紹
基于絕緣體上硅（SOI）結構的集成光學芯片是目前光通信領域的研究重點，得益于其與互補金屬氧化物半導體（CMOS）制作工藝兼容。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。因此，有效的光纖-芯片耦合是提高整個系統性能的重要因素，其中主要涉及的元件就是耦合器。
光纖到芯片的耦合主要分為兩種方式，即垂直耦合和端面耦合。垂直耦合多采用光柵耦合器，光纖垂直或略微傾斜一定角度放置在器件上方，以保證較高耦合效率。但是光柵耦合器的耦合效率通常低于3 dB，并且?guī)捿^窄，波長靈敏度較高。而端面耦合器通常放置在晶圓端面，能實現較高的耦合效率、較大的帶寬以及偏振無關性。
圖1 光纖與光子芯片互連原理圖。（a）光柵耦合器；（b）端面耦合器
工作原理
端面耦合器最常用的結構是倒錐形，即在沿光的傳播方向，采用寬度逐漸增大的錐形波導，其中錐形的窄端靠近光纖，而寬端則與光波導相連。倒錐窄端的橫截面積小于期望的模態(tài)尺寸，無法完全限制入射模，相當大比例的電磁場分布在錐尖周圍。當錐形寬度變大時，它可以支持整個模式，并將電磁場整體限制在錐形內部。總的來說，基于其窄尖端對準光纖芯的倒錐形的端面耦合器可以將從光纖入射的大模場的模式轉換為光子波導中壓縮的導模。
性能度量參數
在評估端面耦合器的性能時，有一些通用的度量參數，包括耦合效率（或耦合損耗）、器件尺寸、工作帶寬、制造容差和未對準容差。
耦合效率：是指端面耦合器內部光傳輸和模式轉換之后的輸出功率與輸入功率的比率。
展開 
維也納理工大學用雙光子聚合3D打印技術制造器官芯片中的人工胎盤
但是直接通過人體進行研究，無疑是充滿困難的，微流控芯片/器官芯片（Organ-On-Chip）為這類醫(yī)學研究提供了一種有效方式。這種在芯片上制造人體微型器官的方法，在疾病研究、開發(fā)患者特異性治療方法以及替代動物實驗方面具有應用潛力。
奧地利維也納理工大學（Technische Universit?t Wien，TU Wien）材料科學與技術研究所的科研團隊，對人體胎盤機制進行了研究，采用的正是器官芯片的方法。在制造芯片時，TU Wien團隊使用了雙光子聚合微納米3D打印技術。
3D打印制造芯片中的人工胎盤微結構
許多研究表明，母親的糖尿病、高血壓可能對未出生的胎兒產生影響，這種現象是在多參數相互作用下發(fā)生的，但如何研究這其中的復雜原因是目前的難點。TU Wien的研究人員在器官芯片復制出體外的微型“人工胎盤”，并對胎盤的機制進行研究。
研究和分析胎盤用的器官芯片，圖片來源：TU Wien
TU Wien 研究團隊設計的器官芯片由兩個區(qū)域組成 - 一個代表胎兒，另一個代表母親。研究人員使用高分辨率的雙光子聚合3D打印技術在它們之間制造出分區(qū)，即人造胎盤膜。通過增材制造的方式，材料逐漸形成3D結構，分辨率在微米范圍內。
生物相容性水凝膠材料制造的3D打印微結構，圖片來源：TU Wien
在人工胎盤的研究中，科研人員使用打印材料是一種具有良好生物相容性的水凝膠，模仿天然胎盤制造出小而彎曲的絨毛表面，然后將胎盤細胞植入到這些結構中，形成一個非常類似于人體天然胎盤的屏障。
TU Wien團隊多年來一直在科研中應用這種高分辨率3D打印技術，已取得了一系列的成果。
展開 【Lumerical系列】無源器件-端面耦合器1丨綜述
背景介紹
基于絕緣體上硅（SOI）結構的集成光學芯片是目前光通信領域的研究重點，得益于其與互補金屬氧化物半導體（CMOS）制作工藝兼容。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。因此，有效的光纖-芯片耦合是提高整個系統性能的重要因素，其中主要涉及的元件就是耦合器。
光纖到芯片的耦合主要分為兩種方式，即垂直耦合和端面耦合。垂直耦合多采用光柵耦合器，光纖垂直或略微傾斜一定角度放置在器件上方，以保證較高耦合效率。但是光柵耦合器的耦合效率通常低于3 dB，并且?guī)捿^窄，波長靈敏度較高。而端面耦合器通常放置在晶圓端面，能實現較高的耦合效率、較大的帶寬以及偏振無關性。
圖1 光纖與光子芯片互連原理圖。（a）光柵耦合器；（b）端面耦合器
工作原理
端面耦合器最常用的結構是倒錐形，即在沿光的傳播方向，采用寬度逐漸增大的錐形波導，其中錐形的窄端靠近光纖，而寬端則與光波導相連。倒錐窄端的橫截面積小于期望的模態(tài)尺寸，無法完全限制入射模，相當大比例的電磁場分布在錐尖周圍。當錐形寬度變大時，它可以支持整個模式，并將電磁場整體限制在錐形內部。總的來說，基于其窄尖端對準光纖芯的倒錐形的端面耦合器可以將從光纖入射的大模場的模式轉換為光子波導中壓縮的導模。
性能度量參數
在評估端面耦合器的性能時，有一些通用的度量參數，包括耦合效率（或耦合損耗）、器件尺寸、工作帶寬、制造容差和未對準容差。
耦合效率：是指端面耦合器內部光傳輸和模式轉換之后的輸出功率與輸入功率的比率。
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(fā)展的新一代信息科技。
本周討論話題：光芯片如今發(fā)展到什么程度了？它有什么優(yōu)勢，未來會代替電子芯片嗎？
在評論區(qū)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(yōu)惠券、10元視頻優(yōu)惠券、500金幣，參與活動的每人均可獲得100金幣。
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