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

來源:聯(lián)合光科技(北京)有限公司   2025年07月04日 17:29  

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。


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