光學(xué)百科 | 光子集成回路(photonic integrated circuits)

定義：
具有光學(xué)功能的集成回路

光子集成回路（也被稱為平面光波回路，或者集成光電裝置）是指其中存在一些光學(xué)器件（通常也存在電子器件）集成在其回路中。這一裝置采用的技術(shù)為集成光學(xué)技術(shù)。光子集成回路通常制備在二氧化硅，硅或者非線性晶體材料例如鈮酸鋰的襯底上。襯底材料對(duì)這一技術(shù)產(chǎn)生一定的限制： 

1. 硅基二氧化硅集成光學(xué)建立在硅片上，會(huì)用到許多成熟的微電子技術(shù)。二氧化硅波導(dǎo)可以得到耦合器，濾波器（用于波分復(fù)用中的復(fù)用器和解復(fù)用器），功率分束器和合束器，甚至具有光學(xué)增益的有源器件。還可以與光纖連接。 

2. 一個(gè)的熱點(diǎn)領(lǐng)域是硅光子學(xué)，直接采用硅芯片實(shí)現(xiàn)光子學(xué)功能。 

3. 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用的光子集成回路是基于磷化銦（InP）的技術(shù)，通常用于光纖通信中。 

4. 可以用二氧化硅玻璃（熔融二氧化硅）制備波導(dǎo)，采用與化學(xué)過程和摻雜物內(nèi)擴(kuò)散相關(guān)的光刻技術(shù)，或者采用激光微加工技術(shù)。后者可以制備遠(yuǎn)離表面的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（嵌入式波導(dǎo)），因此可以實(shí)現(xiàn)三維回路的設(shè)計(jì)。放大器和激光器采用稀土摻雜玻璃得到。 

5. 鈮酸鋰（LiNbO3）是一種非線性晶體材料可用于具有非線性功能的裝置中，例如，電光調(diào)制器或者聲光換能器。在鈮酸鋰沉底上可以制備波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，例如，通過質(zhì)子數(shù)交換或者鈦內(nèi)擴(kuò)散，都是利用的光刻技術(shù)。摻雜稀土離子可以得到放大器和激光器。而該材料的雙折射效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)偏振控制，因此可以用于濾波等。然而，雙折射導(dǎo)致很難得到與偏振無關(guān)的器件，而光纖通信通常需要器件與偏振態(tài)無關(guān)。 

光子集成回路不僅可以集成相同器件組成的陣列，還可以包含復(fù)雜的回路的結(jié)構(gòu)。但是，由于一些原因目前能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)還不能像電子集成回路那么復(fù)雜。主要的應(yīng)用領(lǐng)域是光纖通信，尤其是光纖網(wǎng)絡(luò)，也可以應(yīng)用到光學(xué)傳感和測(cè)量學(xué)中。 
具有小模式面積和大模式面積器件間的重要區(qū)別： 

1. 一些波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（采用絕緣硅片技術(shù)）具有強(qiáng)的束縛，有效模式面積很小，這樣在很大的彎曲時(shí)也不會(huì)有附加的彎曲損耗。因此適合應(yīng)用在集成化程度高的芯片中。但是這種器件與偏振有關(guān)，因此具有很強(qiáng)的雙折射。原則上需要進(jìn)行偏振不敏感的設(shè)計(jì)，但又會(huì)引入加工公差。 

2. 其它的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)光束縛弱，但是可以是偏振不敏感的。然而，這種波導(dǎo)不能承受強(qiáng)烈的彎曲，因此不能應(yīng)用于很高集成度的情況。