硅光子學的案例
新研究！布里淵激光器可放大光線
據外媒報道，北亞利桑那大學助理教授Ryan Behunin與來自耶魯大學和德克薩斯大學奧斯汀分校的物理學家合作，共同發現了一種操縱硅材料中光線的創新方法。
正如發表在頂級期刊Science上的文章所描述的，展示的這種新型激光器，可以在硅芯片中用聲波放大光線。該團隊的研究代表了硅光子學領域的重大進步。
幾十年來，實現硅光子學的全部潛力這一難題一直困擾著眾多科學家。由于該元件的固有特性，在硅中產生激光非常困難，而這是硅光子學的一個關鍵因素。通過上述發現，研發團隊已經朝著解決這個問題邁出了一大步。
Behunin表示：“我們在硅材料中演示了一種新型激光器-布里淵（Brillouin）激光器。”該項目極大地擴展了光在硅片中的操作和控制方式。該激光器是以法國物理學家布里淵（LéonBrillouin）的名字命名的，而光聲散射效應也是以他的名字命名。通過設計新的專用波導，該團隊研發的布里淵（Brillouin）激光器能利用聲音來放大光線。
因為該激光器的獨特屬性，其應用范圍包括計時以及編碼和解碼信息的新方案等。除了發光之外，布里淵激光器還可以產生純粹的聲波。發射的光可以用來為“光子電路”供電，而產生的聲波則可以實現非常復雜的精密測量， 所有這些功能都可以在一個小芯片上實現。
Behunin指出：“我們的工作目前還處于初步階段。我們可以通過硅片創建一系列激光設計應用，每個激光設計都具有為特定應用定制的獨特屬性。”
展開 硅光子學的“最后一米”難題
綜合硅數字邏輯、光電子學以及光纖通信技術的潛力，一切似乎皆有可能。
按照當時工程師們的設想，這些技術將持續發展和融合，直到光子技術與電子技術相結合，并最終取代電子技術。光子技術不僅可以實現跨國數據傳輸，還可以在數據中心之間甚至是計算機之間傳輸數據。工程師們認為，通過光纖可以在芯片間傳輸數據，甚至設想出了光子芯片：很多人都期待將來有一天極速邏輯芯片可以利用光子而非電子。
但是，這樣的設想并未實現。企業和政府曾投入億萬美元用于研究新型光器件和系統，利用光纖將數據中心內部計算機服務器的機架連接起來。誠然，很多現代數據中心的機架都利用這些光設備進行連接。然而光子技術也就到此為止了。在機架內部，單個服務器板仍然使用廉價的銅纜和高速電子器件相互連接。當然，在電路板上，連接處理器的都是金屬導線。
將光子技術推向服務器本身、用光纖直接連接處理器的嘗試，因經濟原因觸礁而失敗了。根據市場調研公司光計數公司（Light Counting）的調查，以太網光收發設備市場規模已達到年均40億美元，到2020年這個市場將擴大到近45億美元和5000萬套器件，這不可否認。但是時至今日，光子技術仍未解決數據中心計算機機架與處理器芯片間最后幾米的問題。
不過，光子技術的巨大潛力意味著仍有希望。雖然技術挑戰仍十分巨大，但數據中心設計的新思路為大數據時代的光子技術革命提供了一條看似可行的道路。
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在當今的數字化世界中，無論是上網、觀看網絡電視，還是做任何其他事情，人們所使用的數據流都會經過光電收發器。光電收發器的作用是實現光電信號的相互轉換。在各大云服務提供商及社交媒體公司的數據中心內部，這些收發器就位于用于在數據中心之間傳輸數據的光纖的端點處。收發器與每個服務器機架頂部的交換設備相連接，將光信號轉化為電信號并傳輸到該機架中的服務器組。
展開 你不一定知道的格芯！
他們的完全耗盡絕緣體上硅和硅上氮化鎵技術處于高效和高性能無線電技術的前沿，能夠推動更高的性能并承受更高的熱量和功率要求。他們的硅光子技術是范式轉變的開始，將計算機和有線通信的核心元素從電子改為光子。他們的 3D 和異構集成專業知識允許將常規邏輯、低功耗 FDX、無線電優化、光子學、InP 和 SiN 技術的組合集成到一個創新解決方案中，該解決方案利用最佳技術滿足應用需求。
由于這項先進技術，Global Foundries 是一家領先的代工廠，擊敗了臺積電、英特爾和三星等其他公司。
光進入芯片，能為高性能計算帶來什么？
今年，盡管遇到一些宏觀經濟逆風，將對預算密集型項目產生負面影響，但在硅光子學進步的推動下，深度光子學集成已經在某些數據中心應用中證明了可行性。CPO架構也肯定會在數據通信之外的領域繼續它的故事。
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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
展開 行業動態 | Ansys Lumerical 光子設計工具獲 GlobalFoundries 認證
Ansys光子求解器已通過認證，可與GF FotonixTM平臺結合使用，以助力用戶設計無源和有源光子器件、降低成本并提高光子芯片性能
主要亮點
GlobalFoundries認證了四款Ansys光子求解器，其中包括Ansys Lumerical FDTD?高級3D微納光子學仿真軟件和Ansys Lumerical MODE?光波導設計工具
其他獲得認證的求解器還包括Ansys Lumerical CHARGE?基于物理場的載流子傳輸求解器和Ansys Lumerical HEAT?基于物理場的熱傳輸求解器
這些認證有助于客戶為新一代光子集成電路（PIC）設計高性能光子組件，從而實現更快、更高效的數據通信技術，此類通信技術非常適合超大規模數據中心和物聯網（IoT）應用
Ansys與GlobalFoundries合作，目前四款Ansys光子求解器已通過認證，使工程師能夠在GF Fotonix平臺中以高保真度進行無源和有源光子器件仿真。Ansys與GlobalFoundries攜手，共同為客戶提供可靠的多物理場仿真解決方案，以解決一系列高容量芯片（包括生成式AI、自動駕駛汽車、超大規模數據中心通信和物聯網領域使用的芯片）的設計挑戰。
GF Fotonix是一款功能豐富且高度靈活的硅光子學平臺，也是業界率先可用于光子和電子器件單片集成的商用代工廠平臺，并提供光子學專用流程選項。光子器件包括有源器件（如馬赫-曾德爾和微環調制器以及鍺光電二極管）和無源組件（如分光器、多模干涉儀、移相器/相位旋轉器、錐形波導、彎曲波導和波分復用濾波器）。該平臺使設計人員能夠為其高速光通信系統應用開發定制解決方案，以滿足其高帶寬、低時延數據傳輸和低功耗要求。
展開 中外科研人員合作開發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?！?/span>
展開 仿真揭示光環諧振器中的“回音廊”效應
在硅光子學領域，光環諧振器表現出用作集成光路元件的潛力。由于諧振器的折射率相差極大，它可以產生極小的光路。此外，還可以將兩個或多個光環諧振器相結合來開發結構緊湊、損耗最低且易于集成到現有網絡的高階濾光器。光環諧振器的其他應用還包括可調諧機械傳感器、生物傳感器、光譜學，以及量子光子研究
在光環諧振器中，光沿著環路傳播，并由于全內反射（total internal reflection，簡稱 TIR）而保留在波導中。全內反射是一種光學現象，即光線不會折射通過它們觸及的介質邊界。
光在光環諧振器中的傳播。
由于只有少數波長在這些環路中達到諧振，因此光環諧振器被用作濾波器。諧振腔耦合器的傳輸損耗可以對波在傳播過程中產生的損耗起到平衡作用，對陷波濾波器來說非常理想。
在 COMSOL 軟件中模擬光環諧振器
波動光學模擬軟件有助于評估光環諧振器的光譜特性。例如，你可以使用 COMSOL 軟件和附加的波動光學模塊，模塊中包含預定義的電磁波，波束包絡接口。此接口用于模擬光波在許多波長上的傳播，你可以利用其中的分析結果來評估光環諧振器作為陷波濾波器的性能。
電磁波，波束包絡接口基于波束包絡法，這是一種數值方法，用于分析大型光學仿真中的慢變電場包絡。與傳統光學分析方法相比，波束包絡法不需要一套細化的網格即可解析波的傳播，這使得此方法成為一種計算高效的選擇。
在兩個波導之間的邊界上發生相位躍變的光環諧振器（y = 0）。
在直波導與環形波導之間的邊界上存在不連續的相位近似。通過執行場連續性 邊界條件，可以處理這種相位不連續以及場包絡的相位不連續。該邊界條件使得電場和磁場在邊界上具有連續的切向分量，即使存在相位躍變也是如此。
計算仿真結果
為了計算模型的光譜特性，你可以使用波動光學特有的模擬特征來運行邊界模式分析和頻域研究。下圖為諧振波長的場圖。
展開 Imec和三井化學簽署戰略合作協議！將用于EUV光刻的CNT薄膜技術商業化
除了先進半導體、硅光子學、人工智能、5G通信和傳感技術之外，他們還致力于健康和生命科學、移動、工業4.0、農產品、智能城市、可持續能源等眾多應用領域的研發。Imec將半導體價值鏈、佛蘭德斯和國際科技、制藥、醫療和ICT公司、初創企業、學術界和知識中心的世界行業領導者團結在一起。Imec的總部位于魯汶（比利時），在比利時、荷蘭和美國設有研究機構，并在三大洲設有代表處。2022年，imec的收入（P&L）總計8.46億歐元。
關于三井化學
三井化學的起源可以追溯到1912年，當時該公司最先在日本開始用煤氣副產品生產化肥原材料。這項事業大大提高了農業生產力，它是當時的一個主要社會問題。后來，該公司將其技術從煤化工發展到天然氣化工，并于1958年建造了日本第一個石化聯合企業，從而為日本工業的快速發展提供了動力。如今，該公司擁有許多世界級的產品，銷售額超過16000億日元，在30個國家擁有160多家公司。其業務組合包括生命與醫療保健解決方案、移動解決方案、ICT解決方案、基礎與綠色材料。
展開 市場 | 一文看懂硅基光電集成技術
Sicoya：全硅芯片的探路人
Sicoya為德國一家硅光集成芯片創業新銳，其成立于2015年1月，是從TU柏林分公司衍生出來的。該公司自2007年以來一直在Silicon Photonics進行持續研發，致力于將光子學和電子學都集成在一個芯片上。
公司的方式基于硅鍺（SiGe）BiCMOS工藝，實現模擬電子器件和光學器件在單片上的集成設計，集成度業界最高。該硅光引擎一改傳統分立器件布局，采用3D封裝， 單片集成了MZM調制器、硅波導、探測器、Driver、TIA等多個有源和無源芯片。集成后的芯片體積大幅減小，可以利用成熟的COB技術封裝到模塊內部，大幅簡化光模 塊的設計和制造，有利于規?；a。
公司的100G硅光子收發器于2017年進入市場，2019年3月在OFC2019展會上首次推出三款400G收發器系列，還有一款面向5G基礎設施設計的產品——28G單通道單模 收發器（5G前傳光模塊）。
博創科技基于Sicoya的硅光芯片，已成功推出電信25G前傳光模塊。
Rockley：硅光子工藝平臺型公司
Rockley Photonics由公認的硅光子學先驅Andrew Rickman博士創立。
展開 OptiMode：矢量有限元法-精度及優勢
1.應用
?硅光子學
?波導設計
?空心光纖
?亞波長光學
?彎曲波導
?長距離等離子體激元
高折射率對比光纖
2.優勢
?矢量有限元法速度非?？?，而且精度高
?全矢量公式化各向異性模式求解器
?能夠使用5階插值混合向量/節點量，以去掉偽解并極大的增加精度
?可利用布局的對稱性降低仿真域尺寸
?單軸完全匹配層(UPML)可以用來找到遺漏的模式
?三角網格大小可調整以精確近似電磁場和波導的幾何結構
?模態指數評估可提高速度，還可以用來搜索特定的光學模式
?采用變換光學精確地計算彎曲波導的模式，,即使是一個很小的曲率半徑
3.仿真描述
在矢量有限元法與其他模式求解器進行對比之前，應對不同的階數的基礎函數的準確性進行了測試。最簡單的波導是一個均勻介質微波波導。纖芯是一個簡單電介質，包層被視為一個完美的電導體，以描述一個矩形金屬墻。
下面的圖標中顯示了VFEM結果和解析結果間的相對百分比誤差。誤差根據有限元網格中自由度結果的方程進行繪制。
圖1.VFEM計算的平均誤差
前5個模式誤差的平均值如圖1中所繪制。其清晰表明，對于一個傳播常數，增加基礎方程的階次可以獲得更高精度的結果。在x=400時，增加基礎方程的級次，等于近乎提高數量級高度的精度。此處應該指出的是，最大平均誤差僅為0.3%。
對一個纖芯折射率1.5和包層折射率為1.0的高對比光纖，對比使用不同方法的模態求解器。盡管在SOI波導中可能不算是高對比度，但對于我們來說對比度已足夠大了。波導的橫截面顯示在反面。
表1：利用多種模態求解器計算的模折射率。包含了模折射率的平均誤差。
上面的表格顯示了對于前六光纖矢量模式計算的模折射率。
展開 
OptiMode：矢量有限元法-精度及優勢
應用
? 硅光子學
? 波導設計
? 空心光纖
? 亞波長光學
? 彎曲波導
? 長距離等離子體激元
高折射率對比光纖
2. 優勢
? 矢量有限元法速度非常快，而且精度高
? 全矢量公式化各向異性模式求解器
? 能夠使用5階插值混合向量/節點量，以去掉偽解并極大的增加精度
? 可利用布局的對稱性降低仿真域尺寸
? 單軸完全匹配層(UPML)可以用來找到遺漏的模式
? 三角網格大小可調整以精確近似電磁場和波導的幾何結構
? 模態指數評估可提高速度，還可以用來搜索特定的光學模式
? 采用變換光學精確地計算彎曲波導的模式，,即使是一個很小的曲率半徑
3. 仿真描述
在矢量有限元法與其他模式求解器進行對比之前，應對不同的階數的基礎函數的準確性進行了測試。最簡單的波導是一個均勻介質微波波導。纖芯是一個簡單電介質，包層被視為一個完美的電導體，以描述一個矩形金屬墻。
下面的圖標中顯示了VFEM結果和解析結果間的相對百分比誤差。誤差根據有限元網格中自由度結果的方程進行繪制。
圖1.VFEM計算的平均誤差
前5個模式誤差的平均值如圖1中所繪制。其清晰表明，對于一個傳播常數，增加基礎方程的階次可以獲得更高精度的結果。在x=400時，增加基礎方程的級次，等于近乎提高數量級高度的精度。此處應該指出的是，最大平均誤差僅為0.3%。
對一個纖芯折射率1.5和包層折射率為1.0的高對比光纖，對比使用不同方法的模態求解器。盡管在SOI波導中可能不算是高對比度，但對于我們來說對比度已足夠大了。波導的橫截面顯示在反面。
展開 Ansys Innovation大會分會場 | 芯片半導體
如何實現高能效RTL設計-彭成
5
如何應對邊緣計算中高速內存的設計挑戰
6
Ansys Lumerical在硅光子學的新設計方法 - 反向設計簡介
7
Ansys Lumerical最新仿真工具于半導體激光器之應用
8
基于Ansys Lumerical的氮化硅-硅基集成光路中端面耦合器設計
9
Challenges and solutions of PI sign-off for next generation large scale chips with TSMC 7nm
10
2.5D芯片高速接口的SI&PI分析方案
11
Redhawk IREM解決方案在大型多電壓域、wire-bonding芯片中的應用
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展開 Lumerical系列|用于增強耦合效率的集成微透鏡輔助的垂直光柵耦合器
利用熱回流工藝將微透鏡集成到一個標準的220nm的絕緣體上硅（SOI）光柵耦合器，這種集成方法在操縱垂直入射光的投射角方面提供了更大的靈活性，使其與底層光柵的最佳耦合角對準，從而有效地提高器件的總體耦合效率（CE）。
引言
從光纖到硅器件的高效光耦合是硅光子學中的關鍵技術。端面耦合器由于其需要制造在芯片表面上而面臨限制，這對晶圓級器件測試提出了挑戰。與端面耦合器相比，光柵耦合器具有靈活的放置、更高的對準公差以及無需表面拋光等優點，從而實現晶圓級測試并降低光纖封裝成本。傳統的光柵耦合器通常需要傾斜入射，通常約10°，以防止二階反射。然而，垂直入射在特定應用中是必不可少的，原因在于其不僅可以簡化多芯光纖（MCF）或垂直腔面發射激光器（VCSEL）的封裝過程，還能減小由于傳統光柵耦合器由于角度對準所占據更多的空間。
研究現狀
現有的提高垂直入射光柵耦合器的耦合效率主要集中在專門設計光柵結構。例如，圖1（a）中的結構采用階梯型光柵來實現非對稱衍射，打破光柵區域的垂直對稱性，以獲得高方向性和高耦合效率。此外，還有一些方案是基于逆向設計優化出最佳參數，從而產生獨特的光柵結構，以增強面外輻射并提高耦合效率，如圖1（b）所示，這些逆向設計方法都提供了較大的靈活性。雖然上述方法能增強耦合效率性能，但也面臨制造的復雜性及容差等問題。
圖1 不同類型的垂直光柵耦合器結構。（a）階梯型光柵；（b）逆向設計型光柵
工作原理及仿真結果
本期文章要介紹的是一種微透鏡輔助的垂直光柵耦合器，其結構如圖2所示。該器件是由SOI切趾的光柵耦合器，包層和柱面微透鏡組成。其中，包層不僅可以保護光柵，還可以幫助控制入射光的角度。當光垂直入射時，會在微透鏡和包層面發生兩次折射，其滿足斯涅爾定律。
圖2 微透鏡輔助的垂直光柵耦合器。
展開 【Lumerical系列】用于增強耦合效率的集成微透鏡輔助的垂直光柵耦合器
利用熱回流工藝將微透鏡集成到一個標準的220nm的絕緣體上硅（SOI）光柵耦合器，這種集成方法在操縱垂直入射光的投射角方面提供了更大的靈活性，使其與底層光柵的最佳耦合角對準，從而有效地提高器件的總體耦合效率（CE）。</p><p><br></p><p><strong>引言</strong></p><p><br></p><p>從光纖到硅器件的高效光耦合是硅光子學中的關鍵技術。端面耦合器由于其需要制造在芯片表面上而面臨限制，這對晶圓級器件測試提出了挑戰。與端面耦合器相比，光柵耦合器具有靈活的放置、更高的對準公差以及無需表面拋光等優點，從而實現晶圓級測試并降低光纖封裝成本。傳統的光柵耦合器通常需要傾斜入射，通常約10°，以防止二階反射。然而，垂直入射在特定應用中是必不可少的，原因在于其不僅可以簡化多芯光纖（MCF）或垂直腔面發射激光器（VCSEL）的封裝過程，還能減小由于傳統光柵耦合器由于角度對準所占據更多的空間。</p><p><br></p><p><strong>研究現狀</strong></p><p>現有的提高垂直入射光柵耦合器的耦合效率主要集中在專門設計光柵結構。例如，圖1（a）中的結構采用階梯型光柵<sup>[2]</sup>來實現非對稱衍射，打破光柵區域的垂直對稱性，以獲得高方向性和高耦合效率。此外，還有一些方案是基于逆向設計優化出最佳參數，從而產生獨特的光柵結構，以增強面外輻射并提高耦合效率，如圖1（b）所示<sup>[3]</sup>，這些逆向設計方法都提供了較大的靈活性。雖然上述方法能增強耦合效率性能，但也面臨制造的復雜性及容差等問題。
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