光子電路

❶ 光子集成電路是什麼

光子集成電路(PIC)是一項新興技術，它基於晶態半導體晶圓集成有源和無源光子電路與單個微晶元上的電子元件。硅光子是實現可擴展性、低成本優勢和功能集成性的首選平台。採用該技術，輔以必要的專業知識，可實現利用硅光電路和微光學元件的創新解決方案，同時可實現控制電子元件和系統封裝的最優集成。
MACOM始終關注採用細線光刻來實現高密度功能的硅微光子綜合技術。這些技術將高性能低功率光學器件與最佳功能及最大封裝密度完美融合。特別是硅微光子技術，它與硅CMOS晶元製造類似，可帶來高密度、低成本以及性能可擴展等諸多優勢。

❷ 研究人員為量子計算機提出了一種更簡單的設計

如今的量子計算機建造起來很復雜，很難擴大規模，而且需要比星際空間更低的溫度才能運行。這些挑戰促使研究人員 探索 利用光子(光的粒子)建造量子計算機的可能性。光子可以很容易地將信息從一個地方帶到另一個地方，而且光子量子計算機可以在室溫下工作，所以這種方法很有前途。然而，盡管人們已經成功地為光子創建了單獨的量子「邏輯門」，但要構建大量的門並以可靠的方式將它們連接起來，以執行復雜的計算，仍然是一個挑戰。

現在，根據11月29日發表在《光學》雜志上的一篇論文，斯坦福大學的研究人員提出了一種使用現成元件的更簡單的光子量子計算機設計。他們提出的設計使用激光操縱單個原子，進而可以通過一種被稱為「量子隱形傳態」的現象改變光子的狀態。原子可以被重置並用於多個量子門，從而消除了構建多個不同物理門的需要，大大降低了構建量子計算機的復雜性。

「通常情況下,如果你想要建立這種類型的量子計算機,你可能需要成千上萬的量子發射器,使他們完全無法區分,然後將桐兆它們集成到一個巨大的光子電路,」本·巴特利特說,一個博士生在應用物理和論文的主要作者。「而在這種設計中，我們只需要幾個相對簡單的組件，機器的大小不會隨著你想要運行的量子程序的大小而增加。」

這種非常簡單的設計只需要幾件設備:一根光纜、一個分束器、一對光開關和一個光腔。

幸運的是，這些組件已經存在，甚至可以在商業上買到。它們也在不斷改進，因為它們目前被用於量子計算以外的應用。例如，電信公司多年來一直致力於改進光纖電纜和光開關。

「我們在這里提出的建議是建立在人們為改善這些部件所付出的努力和投資的基礎上，」工程學院Joseph and Hon Mai Goodman教授、該論文的高級作者范善輝(shan - hui Fan)說。「它們不是專門用於量子計算的新組件。」

一個新穎的設計

科學家的設計包括兩個主要部分:儲存環和散射單元。存儲環的功能與普通計算機中的內存類似，它是一個光纖環，包含多個光子，並在環上傳播。類似於在經典計算機中存儲信息的位，在這個系統中，每個光子代表一個量子位，或「量子位」。光子在存儲環上的移動方向決定了量子位的值，量子位就像位一樣，可以是0或1。此外，由於光子可以同時以兩種狀態存在，單個光子可以同時向兩個方向流動，這代表一個值同時為0和1的組合。

研究人員可以通過將光子從存儲環引導到散射單元來操縱它，在散射單元中，光子移動到一個包含單個原子的腔中。然後光子與原子相互作用，導致兩者成為「糾纏」，這是一種量子現象，即兩個粒子可以相互影響，即使相隔很遠。然後，光子返回存儲環，激光改變原子的狀態。由於原子和光子是糾纏的，操縱原子也會影響其配對光子的狀態。

「通過測量原子的狀態，你可以將操作傳送到光子上，」Bartlett說。「所以我們只需要一個可控的原子量子位，我們可以用它作為代理，間接操縱所有其他光子量子位。」

因為任何量子邏輯門都可以被編譯成在原子上執行的一系列操作，所以原則上，你可以只使用一個可控的原子量子位來運行任何大小的量子程序。為了運行一個程序，代碼被翻譯成一系列操作，這些局姿租操作引導光冊侍子進入散射單元並操縱原子量子位。因為你可以控制原子和光子相互作用的方式，同一個設備可以運行許多不同的量子程序。

「對於許多光子量子計算機來說，門是光子通過的物理結構，所以如果你想改變正在運行的程序，通常需要重新配置硬體，」Bartlett說。「而在這種情況下，你不需要改變硬體，你只需要給機器一個不同的指令集。」

❸ 光電子集成電路的光電子集成電路簡述

把光器件和電子器件集成在同一基片上的集成電路。簡稱OEIC。按功能分主要有電光發射集成電路和光電接收集成電路。前者是由電光碟機動電路、有源光發射器件、導波光路、光隔離器、光調制器和光開關等組成；後者是由光濾波器、光放大器、光-電轉換器以及相應的接收電路和器件集合而成。光電子集成電路從結構上可分為單片集成型和混合集成型兩類。
前者是把光和電功能的器件都集成在單片上；後者則側重光學元件的集成，然後再引入相應電路的電子器件。
光電子集成電路的優點是器件之間拼接緊湊，既能減弱因互連效應引起的響應延遲和雜訊，從而提高傳遞信息的容量和高保真度，又能使器件微型化，便於信息工程的應用。
Si基光電子集成是集成電路研究的一個重要方向，由於硅加工工藝和CMOS電路工藝極其成熟，硅基集成光學的研究主要集中在三個方面：
（1）SiO2光波導迴路；
（2）SiGe（鍺硅合金）/Si光波導器件；
（3）SOI光波導器件。
SiO2光波導迴路利用在SiO2中摻雜實現波導結構，由於它與光纖的結構相似，且波導損耗小，因而被廣泛應用。然而SiO2光波導技術與Si的集成電路工藝不完全兼容，限制了SiO2光波導在光電集成方面的應用。
3SOI材料優越性
SOI材料用於光波導器件有許多優越性：
1、與Si工藝兼容，便於電子和光子集成；
2、能製作三維結構，可大規模集成；
3、損耗小，具有良好的波導特性；
4、用於光互連，光學迴路的運算速度比電子迴路快104倍；
5、抗輻射，能在空間或軍事上應用。

❹ 科學前沿：新型光子晶元可能是小型化量子器件的關鍵

光提供了一種不可替代的方式來與我們的宇宙互動。它可以穿越銀河系距離並與我們的大氣層發生碰撞，產生一股粒子雨，講述過去天文事件的故事。在地球上，控制光可以讓我們將數據從地球的一側發送到另一側。

由於其廣泛的實用性，這是毫不奇怪的光起著使 21 個關鍵作用 ST 世紀量子信息應用。例如，科學家們使用激光來精確控制原子，將它們變成對時間、加速度甚至重力的超靈敏測量。目前，這種早期的量子技術受到尺寸的限制——最先進的系統不能放在餐桌上，段粗更不用說晶元了。為了實際使用，科學家和工程師需要將量子設備小型化，這需要重新考慮某些組件以利用光。

現在，IQUIST 成員 Gaurav Bahl 和他的研究小組設計了一種簡單、緊湊的光子電路，該電路使用聲波來控制光線。這項發表在 10 月 21 日出版的《自然光子學》雜志上的新研究展示了一種隔離或控制光的方向性的強大方法。該團隊的測量表明，他們的隔離方法目前優於所有以前的片上替代方法，並且針對與基於原子的感測器的兼容性進行了優化。

「原子是自然界任何地方的完美參考，並為許多量子應用提供了基礎，」伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校機械科學與工程 (MechSe) 教授 Bahl 說。「我們用來控制原子的激光器需要隔離器來阻止不需要的反射。但到目前為止，在大規模實驗中運行良好的隔離器已被證明難以小型化。」

即使在最好的情況下，光也很難控制——它在遇到表面時會反射、吸收和折射。一面鏡子將光線送回原處，一塊玻璃碎片在讓光線通過的同時彎曲光線，而深色的岩石吸收光線並將其轉化為熱量。從本質上講，光會很高興地從其路徑上的任何地方散射出去。這種笨拙的行為就是為什麼即使是一絲光也有利於在黑暗中看東西。

在大型量子設備中控制光通常是一項艱巨的任務，涉及到大量的鏡子、透鏡、光纖等。小型化需要對許多這些組件採取不同的方法。在過去的幾年裡，科學家和工程師在設計各種微晶元上的光控制元件方面取得了重大進展。他們可以製造波導，這是傳輸光的通道，甚至可以使用某些材料改變其顏色。但是迫使由稱為光子的微小光點組成的光向一個方向移動，同時抑制不需要的向後反射是很棘手的。

該研究的第一作者 Benjamin Sohn 說：「隔離器是一種設備，它允許光以一種方式不間斷地通過，並在相反的方向上完全阻擋。」 「這種單向性無法僅使用任何常見的介電材料或玻璃來實現，因此我們需要更具創新性。我們還希望隔離器能夠在調諧到原子感測器的光波長下工作，即使在大規模時也很難做到這一點.」

在典型的實驗中，實現單向性的最佳工具是使用磁鐵。例如，幾乎每個激光器都有一個磁光隔離器，可以讓光離開激光器但防止它向後傳播，這會干擾激光功能。雖然激光器可以小型化，但縮小傳統隔離器的問題有握老鎮兩個原因。首先，在緊湊型設備中，磁場會對附近的原子產生負面影響。其次，即使有辦法解決這個問題，隔離器內部的材料在晶元上較小的長度尺度上也不能很好地工作。

Bahl 的團隊展示了一種新的非磁性隔離器，結果證明它設計簡單，使用常見的光學材料，並且很容易適應不同波長的光。

「我們想設計一種自然避免損耗的設備，而最好的方法是讓光通過任何東西傳播。仍然可以沿著受控路徑引導光子的最簡單的『無物』是波導，這是一種光子電路中非常基本的組件，」Bahl 說。

在一個完整的基於原子的系統中，波導將引導激光通過一系列元素到達一個包含原子的小室。考慮到這一點，該團隊優化了他們的晶元以使用 780 納米光含仿，這是配置常見的基於銣的感測器所需的波長。

這只是設計的前半部分，因為為了隔離，必須同時在相反方向阻擋光線。此前，該團隊表明他們可以將聲波發射到光子電路中，以打破對稱的光流。在新研究中，該團隊將這一想法轉化為功能晶元元件的演示。

完整的光子隔離器包含一個波導和一個相鄰的環形諧振器，看起來像一個長方形的跑道。通常，入射光無論方向如何都會從波導進入諧振器，從而阻擋所有光流。但是當團隊將聲波施加到環上時，諧振器只捕獲通過波導向後移動的光。在向前的方向上，光通過波導暢通無阻，就好像諧振器根本不在那裡一樣。

該團隊的測量表明，幾乎每個光子都向前移動通過波導，而向後移動的機會只有一萬分之一。這意味著該設計將損耗或不需要的光吸收降低到接近於零，這是以前的片上隔離器長期存在的問題。數據顯示，新器件在片上隔離和操作方面表現出破紀錄的性能，與更大的基於磁體的器件一樣。此外，該方法是靈活的，可以在不改變起始材料的情況下用於多個波長。

「製造的簡單性是關鍵——通過我們的方法，你可以列印出適合你需要的任何波長的光子隔離器，同時在同一個晶元上。這在今天的其他方法中是不可能的，」合作者說-作者 Ogulcan Orsel，伊利諾伊大學電氣工程研究生。

這可能使新設計適用於其他應用，例如量子計算，在這些應用中，雜散、不受控制的磁場以及不需要的光會削弱整體設備性能。

這項工作得到了國防高級研究計劃局 (DARPA)、空軍科學研究辦公室 (AFOSR)、國家科學基金會 (NSF) 和海軍研究辦公室 (ONR) 的支持。

❺ 百納米就好使！光晶元緩解晶元瓶頸難題

作者 | 張雙虎

IBM研發出2納米製程晶元的消息尚未傳開，台積電和合作夥伴就宣布取得了1納米以下製程晶元技術突破。業內普遍認為，晶元技術日新月異的同時，也一步步逼近其物理理論的極限。

近日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）教授Tobias Kippenberg團隊開發出一種採用氮化硅襯底製造集成光子電路（光子晶元）的技術，得到了創紀錄的低光學損耗，且晶元尺寸小。相關研究發表在《自然—通訊》上。

光子晶元奮起直追，也許能幫助人們突破摩爾定律的「天花板」，開辟新的「賽道」。

「硅家族」與大馬士革工藝

光子晶元通常由硅製成，硅在地殼中含量豐富且具有良好的光學特性，但難以滿足集成光子晶元所需的一切條件，因此出現了諸多新材料加以替代，如氮化硅、二氧化硅、氮化鋁、鈮酸鋰、碳化硅等。

Tobias Kippenberg團隊採用一種氮化硅光子大馬士革工藝（光子鑲嵌工藝）技術。大馬士革工藝是一種非常古老的工藝，最早可以追溯到阿拉伯人在他們的武器和裝飾上面做顏色的鑲嵌和繪圖。這個工藝要先做出圖形輪廓，然後把顏色材料鑲嵌到輪廓中再進行拋光，這樣就得到一個色彩艷麗的圖案。

「大馬士革工藝思路曾被用在早期以銅為材料的電子電路製造上。研究當中，我們把氮化硅大馬士革工藝用到集成光路製造上，得到了極低的光損耗。」論文第一作者、EPFL微納技術中心博士劉駿秋告訴《中國科學報》，「利用這一技術，我們製造了光損耗僅為1dB/m的集成光路，創下了所有非線性光子集成材料的紀錄。」

使用這項新技術，研究人員在5平方毫米的晶元上制備了高品質因數的微諧振器和超過一米長的波導。他們還報告了九成的製造良品率，這對於將來擴大工業生產規模至關重要。

「超低損耗的氮化硅集成光子晶元對未來通信、計算和6G技術都至關重要。這種類型的光子晶元可以將信息編碼進光，再通過光纖傳輸，並成為光通信的一個核心組成部分。」劉駿秋說。

光子集成後發先至

「電子晶元工作時，可以理解為電信號輸入晶元進行處理，比如存儲、讀取、進行運算等，之後再輸出。與之類似，光子晶元是將光信號輸入晶元，進行數據傳輸、存儲、計算和輸出的晶元。」劉駿秋表示，「相對於電子晶元，光子晶元雖然起步較晚，姿和碼但有自己獨特的優勢。」

科學家認為，光具有天然的並行處理能力及成熟的波分復用技術，從而使光子晶元的數據處理能力、容量及帶寬均大幅度提升。光波的波長、頻率、偏振態和相位等信息可以代表不同的數據，用來作為非常高效的通信種子源。

「光子晶元具有高運算速度、低功耗、低時延等特點，且不易受到溫度、電磁場和雜訊變化的影響。」中科創星董事總經理張思申說，「光子晶元不必追求工藝尺寸的極限縮小，就能有更多的性能用以提升空間。」

「與電晶元相比，光晶元在諸多領域，比如通信、激光雷達、感測、圖像分析方面有獨一無二的優勢。」劉駿秋解釋說，光晶元速率可以達到100G，比電晶元快很多，這樣可以在光的通道上面做更多信息的編碼，承載更多的信息，同時功耗比電晶元更小。因為光在傳播中不會產生任何熱效應，這和電子不一樣，還有光和光之間不會有相互作用，不會受到背景電磁場干擾。

劉駿秋所在團跡哪隊曾利用氮化硅光晶元架構光神經網路，使用一個卷積神經網路去求解矩陣，然後應用在浮雕過濾器上。相關成果發表在今年1月的《自然》上。

「我們把一個圖像信號輸入系統中，經過浮雕過濾器，它會強化高頻信號、弱化低棚襪頻信號，即實現強化圖像邊緣的目的。比如一輛小 汽車 的圖片，它原來的車燈內部結構你可能看不到。經過浮雕過濾器處理的新圖像中，車燈內部結構被強化了。」劉駿秋說，「這證明了氮化硅光子晶元在光神經網路、深度學習方面有很好的應用。」

除人工智慧外，光子晶元廣泛用於激光雷達、微波濾波器、毫米波生成、天體光譜儀校準、低雜訊微波生成，也可以用作中紅外雙梳光譜，測量氣體當中的成分。若應用到光學相關斷層掃描，則可以看生物組織的結構。它還能用作數據中心開關，進行數據調控。

兩條賽道的競爭與合作

劉駿秋說，通俗地理解，信息在手機或者電腦里進行處理主要使用電子晶元，但信息的傳遞是需要光纖的。所以，到這一步就需要進行電光轉換。「目前，光和電是在兩個『賽道』上，各有自己的應用場景。」

「現在英特爾數據中心用的集成半導體激光器，就是將電信號轉換成光信號，然後進行數據處理、編碼和傳輸。英特爾每年向全世界輸送數千萬個這樣的集成半導體激光器晶元。」劉駿秋說，「光子集成電路相對於傳統分立的『光—電—光』處理方式降低了復雜度，提高了可靠性，能夠以更低的成本構建一個具有更多節點的全新網路結構。雖然目前仍處於初級發展階段，不過其成為光器件的主流發展趨勢已成必然。」

「在邏輯運算領域，未來的趨勢是光電集成的結合，還需要很長一段時間，才能實現全光計算。」張思申說，「總體來說，目前只在個別計算和傳輸領域，光子晶元可以替代電子晶元。」

劉駿秋認為，從架構上可以看出，光子晶元系統整體非常復雜。光子晶元系統里有光源、處理器、探測器，也需要各種材料之間集成的協同，很少有單個研究單位能夠對整個系統進行架構和制備。在製造工藝上，兩者雖然流程和復雜程度相似，但光子晶元對結構的要求不像電晶元那樣嚴苛，一般是百納米級。因此，光子晶元不會像電子晶元那樣必須使用極紫外光刻機（EUV）。

「光的波長在百納米到一微米量級，因此限制了光子器件的集成密度。但這同時也意味著，光晶元達到最理想的工作條件並不依賴最先進的半導體工藝製程，比如極紫外光刻機。」劉駿秋說，「這大大降低了對先進工藝的依賴，一定程度上緩解了當前晶元發展的瓶頸問題。」

此外，光子晶元提供了全新的晶元設計架構思路，徹底顛覆原有的設計理念，有更多的設計創意空間。

「光有光的優勢，電有電的優勢。光的優勢是穩定，不容易受外界影響。同時這也是光的劣勢，意味著人們想操控光，改變它的狀態，手段非常有限。」劉駿秋說，「在某些應用場景中，兩者也有競爭，比如神經網路。但更多的時候，二者是合作關系。光晶元技術目前還沒有電晶元成熟，所以未知的因素很多，兩者未來應該很好地銜接起來。」

對此，中國科學院微電子研究所研究員、集成電路先導工藝研發中心副主任羅軍持同樣觀點。

「電子集成電路和光子集成電路之間是互補的關系。」羅軍對《中國科學報》說，「未來可以充分利用光子集成電路高速率傳輸和電子集成電路多功能、智能化的優點，在新的『賽道』上跑出更好成績。」

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21973-z

https://doi.org/10.1038/s41586-020-03070-1

❻ 實現納米結構材料負折射，研究人員向創建光子電路邁出重要一步

一種新創建的納米結構材料具有以前理論上可能的特性：它可以向後折射光，而不管光照射材料的角度如何。

這種特性被稱為負折射，這意味著折射率——光可以穿過給定材料的速度——在所有角度的電磁光譜的一部分中都是負的。

納米晶格的掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像

折射是材料的共同枯悉世屬性；想想一杯水中的吸管似乎移到一邊的方式，或者眼鏡中的鏡片聚焦光線的方式。但負折射不僅僅涉及將光線向一側移動幾度。相反，光線以與其進入材料的角度完全相反的角度發送。這在自然界中尚未觀察到，但從 1960 年代開始，理論上被認為發生在所謂的人工沒肢周期性材料中，即構造成具有特定結構模式的材料。直到現在，製造工藝才趕上理論，使負折射成為現實。

負折射對納米光子學的未來至關重要，納米光子學旨在理解和操縱光在盡可能小尺度上與材料或固體結構相互作用時的行為。

這種新材料通過結合納米和微米尺度的組織以及通過時間和勞動密集型工藝添加薄金屬鍺膜塗層來實現其不同尋常的特性。Greer 是創造這種納米結構材料的先驅，這種材料的結構設計和組織在納米尺度上，因此表現出不尋常的、經常令人驚訝的特性——例如，可以彈回原始形狀的超輕陶瓷，像海綿一樣，被壓縮後。

在電子顯微鏡下，這種新材料的結構類似於空心立方體的格子。每個立方體是如此之小，以至於構成立方體結構的梁的寬度比人類頭發的寬度小 100 倍。晶格是使用聚合物材料構建的，這種材料在 3D 列印中相對容易使用，然後塗上金屬鍺。

結構和塗層的結合賦予了晶格這種不同尋常的特性。通訊作說。研究團隊通過艱苦的計算機建模過程（以及天竺葵是一種高折射率材料的知識），將立方體晶陸晌格結構和材料作為正確的組合。

為了使聚合物以這種規模均勻地塗上金屬，研究團隊需要開發一種全新的方法。最後，研究人員使用濺射技術，用高能離子轟擊鍺圓盤，將鍺原子從圓盤上噴射到聚合物晶格表面。要獲得均勻的塗層並不容易，優化這個過程需要很長時間和很多努力。

該技術在電信、醫學成像、雷達偽裝和計算方面具有潛在應用。

在 1965 年的觀察中，相關人員預測，集成電路每兩年就會變得復雜兩倍，成本降低一半。然而，由於當前硅半導體允許的功耗和晶體管密度的基本限制，摩爾定律預測的縮放應該很快就會結束。我們正在達到遵循摩爾定律的能力的盡頭；使電子晶體管盡可能小。目前的工作是向展示啟用 3D 光子電路所需的光學特性邁出的一步。因為光的移動速度比電子快得多，所以理論上 3D 光子電路會比傳統電路快得多。

❼ 光量子晶元是真的嗎

光量子晶元是真的。

2021年2月，我們國家科研人員在世界科學期刊上發表了相關論文，並引起了各國廣泛關注。據悉，目前全球主要使用的晶元，主要是製造在半導體晶圓的表面上，是小型化的集成電路。而論文中提到的新型光量子計算晶元，主要採用微納加工工藝技術，在單個晶元上集成大量光量子器件槐顫臘。

光量子晶元的優勢

許多專家認為，相比電子洞遲，光子的速度更快、耗能更低，所以一旦光量子晶元能夠研發成功，所發揮的性能將比普通的電子晶元更強。最重要的是，光量子晶元的研發和製作，並不依賴西方的高端光刻機，這也意味著，一旦該技術研製成功，並且走向成功，我們將徹底打破被西方卡脖子的局面。甚至在該領域，乃至未來全球的晶元市場，我們都能占據優鉛滑勢。