光子电路

❶ 光子集成电路是什么

光子集成电路(PIC)是一项新兴技术，它基于晶态半导体晶圆集成有源和无源光子电路与单个微芯片上的电子元件。硅光子是实现可扩展性、低成本优势和功能集成性的首选平台。采用该技术，辅以必要的专业知识，可实现利用硅光电路和微光学元件的创新解决方案，同时可实现控制电子元件和系统封装的最优集成。
MACOM始终关注采用细线光刻来实现高密度功能的硅微光子综合技术。这些技术将高性能低功率光学器件与最佳功能及最大封装密度完美融合。特别是硅微光子技术，它与硅CMOS芯片制造类似，可带来高密度、低成本以及性能可扩展等诸多优势。

❷ 研究人员为量子计算机提出了一种更简单的设计

如今的量子计算机建造起来很复杂，很难扩大规模，而且需要比星际空间更低的温度才能运行。这些挑战促使研究人员 探索 利用光子(光的粒子)建造量子计算机的可能性。光子可以很容易地将信息从一个地方带到另一个地方，而且光子量子计算机可以在室温下工作，所以这种方法很有前途。然而，尽管人们已经成功地为光子创建了单独的量子“逻辑门”，但要构建大量的门并以可靠的方式将它们连接起来，以执行复杂的计算，仍然是一个挑战。

现在，根据11月29日发表在《光学》杂志上的一篇论文，斯坦福大学的研究人员提出了一种使用现成元件的更简单的光子量子计算机设计。他们提出的设计使用激光操纵单个原子，进而可以通过一种被称为“量子隐形传态”的现象改变光子的状态。原子可以被重置并用于多个量子门，从而消除了构建多个不同物理门的需要，大大降低了构建量子计算机的复杂性。

“通常情况下,如果你想要建立这种类型的量子计算机,你可能需要成千上万的量子发射器,使他们完全无法区分,然后将桐兆它们集成到一个巨大的光子电路,”本·巴特利特说,一个博士生在应用物理和论文的主要作者。“而在这种设计中，我们只需要几个相对简单的组件，机器的大小不会随着你想要运行的量子程序的大小而增加。”

这种非常简单的设计只需要几件设备:一根光缆、一个分束器、一对光开关和一个光腔。

幸运的是，这些组件已经存在，甚至可以在商业上买到。它们也在不断改进，因为它们目前被用于量子计算以外的应用。例如，电信公司多年来一直致力于改进光纤电缆和光开关。

“我们在这里提出的建议是建立在人们为改善这些部件所付出的努力和投资的基础上，”工程学院Joseph and Hon Mai Goodman教授、该论文的高级作者范善辉(shan - hui Fan)说。“它们不是专门用于量子计算的新组件。”

一个新颖的设计

科学家的设计包括两个主要部分:储存环和散射单元。存储环的功能与普通计算机中的内存类似，它是一个光纤环，包含多个光子，并在环上传播。类似于在经典计算机中存储信息的位，在这个系统中，每个光子代表一个量子位，或“量子位”。光子在存储环上的移动方向决定了量子位的值，量子位就像位一样，可以是0或1。此外，由于光子可以同时以两种状态存在，单个光子可以同时向两个方向流动，这代表一个值同时为0和1的组合。

研究人员可以通过将光子从存储环引导到散射单元来操纵它，在散射单元中，光子移动到一个包含单个原子的腔中。然后光子与原子相互作用，导致两者成为“纠缠”，这是一种量子现象，即两个粒子可以相互影响，即使相隔很远。然后，光子返回存储环，激光改变原子的状态。由于原子和光子是纠缠的，操纵原子也会影响其配对光子的状态。

“通过测量原子的状态，你可以将操作传送到光子上，”Bartlett说。“所以我们只需要一个可控的原子量子位，我们可以用它作为代理，间接操纵所有其他光子量子位。”

因为任何量子逻辑门都可以被编译成在原子上执行的一系列操作，所以原则上，你可以只使用一个可控的原子量子位来运行任何大小的量子程序。为了运行一个程序，代码被翻译成一系列操作，这些局姿租操作引导光册侍子进入散射单元并操纵原子量子位。因为你可以控制原子和光子相互作用的方式，同一个设备可以运行许多不同的量子程序。

“对于许多光子量子计算机来说，门是光子通过的物理结构，所以如果你想改变正在运行的程序，通常需要重新配置硬件，”Bartlett说。“而在这种情况下，你不需要改变硬件，你只需要给机器一个不同的指令集。”

❸ 光电子集成电路的光电子集成电路简述

把光器件和电子器件集成在同一基片上的集成电路。简称OEIC。按功能分主要有电光发射集成电路和光电接收集成电路。前者是由电光驱动电路、有源光发射器件、导波光路、光隔离器、光调制器和光开关等组成；后者是由光滤波器、光放大器、光-电转换器以及相应的接收电路和器件集合而成。光电子集成电路从结构上可分为单片集成型和混合集成型两类。
前者是把光和电功能的器件都集成在单片上；后者则侧重光学元件的集成，然后再引入相应电路的电子器件。
光电子集成电路的优点是器件之间拼接紧凑，既能减弱因互连效应引起的响应延迟和噪声，从而提高传递信息的容量和高保真度，又能使器件微型化，便于信息工程的应用。
Si基光电子集成是集成电路研究的一个重要方向，由于硅加工工艺和CMOS电路工艺极其成熟，硅基集成光学的研究主要集中在三个方面：
（1）SiO2光波导回路；
（2）SiGe（锗硅合金）/Si光波导器件；
（3）SOI光波导器件。
SiO2光波导回路利用在SiO2中掺杂实现波导结构，由于它与光纤的结构相似，且波导损耗小，因而被广泛应用。然而SiO2光波导技术与Si的集成电路工艺不完全兼容，限制了SiO2光波导在光电集成方面的应用。
3SOI材料优越性
SOI材料用于光波导器件有许多优越性：
1、与Si工艺兼容，便于电子和光子集成；
2、能制作三维结构，可大规模集成；
3、损耗小，具有良好的波导特性；
4、用于光互连，光学回路的运算速度比电子回路快104倍；
5、抗辐射，能在空间或军事上应用。

❹ 科学前沿：新型光子芯片可能是小型化量子器件的关键

光提供了一种不可替代的方式来与我们的宇宙互动。它可以穿越银河系距离并与我们的大气层发生碰撞，产生一股粒子雨，讲述过去天文事件的故事。在地球上，控制光可以让我们将数据从地球的一侧发送到另一侧。

由于其广泛的实用性，这是毫不奇怪的光起着使 21 个关键作用 ST 世纪量子信息应用。例如，科学家们使用激光来精确控制原子，将它们变成对时间、加速度甚至重力的超灵敏测量。目前，这种早期的量子技术受到尺寸的限制——最先进的系统不能放在餐桌上，段粗更不用说芯片了。为了实际使用，科学家和工程师需要将量子设备小型化，这需要重新考虑某些组件以利用光。

现在，IQUIST 成员 Gaurav Bahl 和他的研究小组设计了一种简单、紧凑的光子电路，该电路使用声波来控制光线。这项发表在 10 月 21 日出版的《自然光子学》杂志上的新研究展示了一种隔离或控制光的方向性的强大方法。该团队的测量表明，他们的隔离方法目前优于所有以前的片上替代方法，并且针对与基于原子的传感器的兼容性进行了优化。

“原子是自然界任何地方的完美参考，并为许多量子应用提供了基础，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械科学与工程 (MechSe) 教授 Bahl 说。“我们用来控制原子的激光器需要隔离器来阻止不需要的反射。但到目前为止，在大规模实验中运行良好的隔离器已被证明难以小型化。”

即使在最好的情况下，光也很难控制——它在遇到表面时会反射、吸收和折射。一面镜子将光线送回原处，一块玻璃碎片在让光线通过的同时弯曲光线，而深色的岩石吸收光线并将其转化为热量。从本质上讲，光会很高兴地从其路径上的任何地方散射出去。这种笨拙的行为就是为什么即使是一丝光也有利于在黑暗中看东西。

在大型量子设备中控制光通常是一项艰巨的任务，涉及到大量的镜子、透镜、光纤等。小型化需要对许多这些组件采取不同的方法。在过去的几年里，科学家和工程师在设计各种微芯片上的光控制元件方面取得了重大进展。他们可以制造波导，这是传输光的通道，甚至可以使用某些材料改变其颜色。但是迫使由称为光子的微小光点组成的光向一个方向移动，同时抑制不需要的向后反射是很棘手的。

该研究的第一作者 Benjamin Sohn 说：“隔离器是一种设备，它允许光以一种方式不间断地通过，并在相反的方向上完全阻挡。” “这种单向性无法仅使用任何常见的介电材料或玻璃来实现，因此我们需要更具创新性。我们还希望隔离器能够在调谐到原子传感器的光波长下工作，即使在大规模时也很难做到这一点.”

在典型的实验中，实现单向性的最佳工具是使用磁铁。例如，几乎每个激光器都有一个磁光隔离器，可以让光离开激光器但防止它向后传播，这会干扰激光功能。虽然激光器可以小型化，但缩小传统隔离器的问题有握老镇两个原因。首先，在紧凑型设备中，磁场会对附近的原子产生负面影响。其次，即使有办法解决这个问题，隔离器内部的材料在芯片上较小的长度尺度上也不能很好地工作。

Bahl 的团队展示了一种新的非磁性隔离器，结果证明它设计简单，使用常见的光学材料，并且很容易适应不同波长的光。

“我们想设计一种自然避免损耗的设备，而最好的方法是让光通过任何东西传播。仍然可以沿着受控路径引导光子的最简单的‘无物’是波导，这是一种光子电路中非常基本的组件，”Bahl 说。

在一个完整的基于原子的系统中，波导将引导激光通过一系列元素到达一个包含原子的小室。考虑到这一点，该团队优化了他们的芯片以使用 780 纳米光含仿，这是配置常见的基于铷的传感器所需的波长。

这只是设计的前半部分，因为为了隔离，必须同时在相反方向阻挡光线。此前，该团队表明他们可以将声波发射到光子电路中，以打破对称的光流。在新研究中，该团队将这一想法转化为功能芯片元件的演示。

完整的光子隔离器包含一个波导和一个相邻的环形谐振器，看起来像一个长方形的跑道。通常，入射光无论方向如何都会从波导进入谐振器，从而阻挡所有光流。但是当团队将声波施加到环上时，谐振器只捕获通过波导向后移动的光。在向前的方向上，光通过波导畅通无阻，就好像谐振器根本不在那里一样。

该团队的测量表明，几乎每个光子都向前移动通过波导，而向后移动的机会只有一万分之一。这意味着该设计将损耗或不需要的光吸收降低到接近于零，这是以前的片上隔离器长期存在的问题。数据显示，新器件在片上隔离和操作方面表现出破纪录的性能，与更大的基于磁体的器件一样。此外，该方法是灵活的，可以在不改变起始材料的情况下用于多个波长。

“制造的简单性是关键——通过我们的方法，你可以打印出适合你需要的任何波长的光子隔离器，同时在同一个芯片上。这在今天的其他方法中是不可能的，”合作者说-作者 Ogulcan Orsel，伊利诺伊大学电气工程研究生。

这可能使新设计适用于其他应用，例如量子计算，在这些应用中，杂散、不受控制的磁场以及不需要的光会削弱整体设备性能。

这项工作得到了国防高级研究计划局 (DARPA)、空军科学研究办公室 (AFOSR)、国家科学基金会 (NSF) 和海军研究办公室 (ONR) 的支持。

❺ 百纳米就好使！光芯片缓解芯片瓶颈难题

作者 | 张双虎

IBM研发出2纳米制程芯片的消息尚未传开，台积电和合作伙伴就宣布取得了1纳米以下制程芯片技术突破。业内普遍认为，芯片技术日新月异的同时，也一步步逼近其物理理论的极限。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）教授Tobias Kippenberg团队开发出一种采用氮化硅衬底制造集成光子电路（光子芯片）的技术，得到了创纪录的低光学损耗，且芯片尺寸小。相关研究发表在《自然—通讯》上。

光子芯片奋起直追，也许能帮助人们突破摩尔定律的“天花板”，开辟新的“赛道”。

“硅家族”与大马士革工艺

光子芯片通常由硅制成，硅在地壳中含量丰富且具有良好的光学特性，但难以满足集成光子芯片所需的一切条件，因此出现了诸多新材料加以替代，如氮化硅、二氧化硅、氮化铝、铌酸锂、碳化硅等。

Tobias Kippenberg团队采用一种氮化硅光子大马士革工艺（光子镶嵌工艺）技术。大马士革工艺是一种非常古老的工艺，最早可以追溯到阿拉伯人在他们的武器和装饰上面做颜色的镶嵌和绘图。这个工艺要先做出图形轮廓，然后把颜色材料镶嵌到轮廓中再进行抛光，这样就得到一个色彩艳丽的图案。

“大马士革工艺思路曾被用在早期以铜为材料的电子电路制造上。研究当中，我们把氮化硅大马士革工艺用到集成光路制造上，得到了极低的光损耗。”论文第一作者、EPFL微纳技术中心博士刘骏秋告诉《中国科学报》，“利用这一技术，我们制造了光损耗仅为1dB/m的集成光路，创下了所有非线性光子集成材料的纪录。”

使用这项新技术，研究人员在5平方毫米的芯片上制备了高品质因数的微谐振器和超过一米长的波导。他们还报告了九成的制造良品率，这对于将来扩大工业生产规模至关重要。

“超低损耗的氮化硅集成光子芯片对未来通信、计算和6G技术都至关重要。这种类型的光子芯片可以将信息编码进光，再通过光纤传输，并成为光通信的一个核心组成部分。”刘骏秋说。

光子集成后发先至

“电子芯片工作时，可以理解为电信号输入芯片进行处理，比如存储、读取、进行运算等，之后再输出。与之类似，光子芯片是将光信号输入芯片，进行数据传输、存储、计算和输出的芯片。”刘骏秋表示，“相对于电子芯片，光子芯片虽然起步较晚，姿和码但有自己独特的优势。”

科学家认为，光具有天然的并行处理能力及成熟的波分复用技术，从而使光子芯片的数据处理能力、容量及带宽均大幅度提升。光波的波长、频率、偏振态和相位等信息可以代表不同的数据，用来作为非常高效的通信种子源。

“光子芯片具有高运算速度、低功耗、低时延等特点，且不易受到温度、电磁场和噪声变化的影响。”中科创星董事总经理张思申说，“光子芯片不必追求工艺尺寸的极限缩小，就能有更多的性能用以提升空间。”

“与电芯片相比，光芯片在诸多领域，比如通信、激光雷达、传感、图像分析方面有独一无二的优势。”刘骏秋解释说，光芯片速率可以达到100G，比电芯片快很多，这样可以在光的通道上面做更多信息的编码，承载更多的信息，同时功耗比电芯片更小。因为光在传播中不会产生任何热效应，这和电子不一样，还有光和光之间不会有相互作用，不会受到背景电磁场干扰。

刘骏秋所在团迹哪队曾利用氮化硅光芯片架构光神经网络，使用一个卷积神经网络去求解矩阵，然后应用在浮雕过滤器上。相关成果发表在今年1月的《自然》上。

“我们把一个图像信号输入系统中，经过浮雕过滤器，它会强化高频信号、弱化低棚袜频信号，即实现强化图像边缘的目的。比如一辆小 汽车 的图片，它原来的车灯内部结构你可能看不到。经过浮雕过滤器处理的新图像中，车灯内部结构被强化了。”刘骏秋说，“这证明了氮化硅光子芯片在光神经网络、深度学习方面有很好的应用。”

除人工智能外，光子芯片广泛用于激光雷达、微波滤波器、毫米波生成、天体光谱仪校准、低噪声微波生成，也可以用作中红外双梳光谱，测量气体当中的成分。若应用到光学相关断层扫描，则可以看生物组织的结构。它还能用作数据中心开关，进行数据调控。

两条赛道的竞争与合作

刘骏秋说，通俗地理解，信息在手机或者电脑里进行处理主要使用电子芯片，但信息的传递是需要光纤的。所以，到这一步就需要进行电光转换。“目前，光和电是在两个‘赛道’上，各有自己的应用场景。”

“现在英特尔数据中心用的集成半导体激光器，就是将电信号转换成光信号，然后进行数据处理、编码和传输。英特尔每年向全世界输送数千万个这样的集成半导体激光器芯片。”刘骏秋说，“光子集成电路相对于传统分立的‘光—电—光’处理方式降低了复杂度，提高了可靠性，能够以更低的成本构建一个具有更多节点的全新网络结构。虽然目前仍处于初级发展阶段，不过其成为光器件的主流发展趋势已成必然。”

“在逻辑运算领域，未来的趋势是光电集成的结合，还需要很长一段时间，才能实现全光计算。”张思申说，“总体来说，目前只在个别计算和传输领域，光子芯片可以替代电子芯片。”

刘骏秋认为，从架构上可以看出，光子芯片系统整体非常复杂。光子芯片系统里有光源、处理器、探测器，也需要各种材料之间集成的协同，很少有单个研究单位能够对整个系统进行架构和制备。在制造工艺上，两者虽然流程和复杂程度相似，但光子芯片对结构的要求不像电芯片那样严苛，一般是百纳米级。因此，光子芯片不会像电子芯片那样必须使用极紫外光刻机（EUV）。

“光的波长在百纳米到一微米量级，因此限制了光子器件的集成密度。但这同时也意味着，光芯片达到最理想的工作条件并不依赖最先进的半导体工艺制程，比如极紫外光刻机。”刘骏秋说，“这大大降低了对先进工艺的依赖，一定程度上缓解了当前芯片发展的瓶颈问题。”

此外，光子芯片提供了全新的芯片设计架构思路，彻底颠覆原有的设计理念，有更多的设计创意空间。

“光有光的优势，电有电的优势。光的优势是稳定，不容易受外界影响。同时这也是光的劣势，意味着人们想操控光，改变它的状态，手段非常有限。”刘骏秋说，“在某些应用场景中，两者也有竞争，比如神经网络。但更多的时候，二者是合作关系。光芯片技术目前还没有电芯片成熟，所以未知的因素很多，两者未来应该很好地衔接起来。”

对此，中国科学院微电子研究所研究员、集成电路先导工艺研发中心副主任罗军持同样观点。

“电子集成电路和光子集成电路之间是互补的关系。”罗军对《中国科学报》说，“未来可以充分利用光子集成电路高速率传输和电子集成电路多功能、智能化的优点，在新的‘赛道’上跑出更好成绩。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21973-z

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

❻ 实现纳米结构材料负折射，研究人员向创建光子电路迈出重要一步

一种新创建的纳米结构材料具有以前理论上可能的特性：它可以向后折射光，而不管光照射材料的角度如何。

这种特性被称为负折射，这意味着折射率——光可以穿过给定材料的速度——在所有角度的电磁光谱的一部分中都是负的。

纳米晶格的扫描电子显微镜 (SEM) 图像

折射是材料的共同枯悉世属性；想想一杯水中的吸管似乎移到一边的方式，或者眼镜中的镜片聚焦光线的方式。但负折射不仅仅涉及将光线向一侧移动几度。相反，光线以与其进入材料的角度完全相反的角度发送。这在自然界中尚未观察到，但从 1960 年代开始，理论上被认为发生在所谓的人工没肢周期性材料中，即构造成具有特定结构模式的材料。直到现在，制造工艺才赶上理论，使负折射成为现实。

负折射对纳米光子学的未来至关重要，纳米光子学旨在理解和操纵光在尽可能小尺度上与材料或固体结构相互作用时的行为。

这种新材料通过结合纳米和微米尺度的组织以及通过时间和劳动密集型工艺添加薄金属锗膜涂层来实现其不同寻常的特性。Greer 是创造这种纳米结构材料的先驱，这种材料的结构设计和组织在纳米尺度上，因此表现出不寻常的、经常令人惊讶的特性——例如，可以弹回原始形状的超轻陶瓷，像海绵一样，被压缩后。

在电子显微镜下，这种新材料的结构类似于空心立方体的格子。每个立方体是如此之小，以至于构成立方体结构的梁的宽度比人类头发的宽度小 100 倍。晶格是使用聚合物材料构建的，这种材料在 3D 打印中相对容易使用，然后涂上金属锗。

结构和涂层的结合赋予了晶格这种不同寻常的特性。通讯作说。研究团队通过艰苦的计算机建模过程（以及天竺葵是一种高折射率材料的知识），将立方体晶陆晌格结构和材料作为正确的组合。

为了使聚合物以这种规模均匀地涂上金属，研究团队需要开发一种全新的方法。最后，研究人员使用溅射技术，用高能离子轰击锗圆盘，将锗原子从圆盘上喷射到聚合物晶格表面。要获得均匀的涂层并不容易，优化这个过程需要很长时间和很多努力。

该技术在电信、医学成像、雷达伪装和计算方面具有潜在应用。

在 1965 年的观察中，相关人员预测，集成电路每两年就会变得复杂两倍，成本降低一半。然而，由于当前硅半导体允许的功耗和晶体管密度的基本限制，摩尔定律预测的缩放应该很快就会结束。我们正在达到遵循摩尔定律的能力的尽头；使电子晶体管尽可能小。目前的工作是向展示启用 3D 光子电路所需的光学特性迈出的一步。因为光的移动速度比电子快得多，所以理论上 3D 光子电路会比传统电路快得多。

❼ 光量子芯片是真的吗

光量子芯片是真的。

2021年2月，我们国家科研人员在世界科学期刊上发表了相关论文，并引起了各国广泛关注。据悉，目前全球主要使用的芯片，主要是制造在半导体晶圆的表面上，是小型化的集成电路。而论文中提到的新型光量子计算芯片，主要采用微纳加工工艺技术，在单个芯片上集成大量光量子器件槐颤腊。

光量子芯片的优势

许多专家认为，相比电子洞迟，光子的速度更快、耗能更低，所以一旦光量子芯片能够研发成功，所发挥的性能将比普通的电子芯片更强。最重要的是，光量子芯片的研发和制作，并不依赖西方的高端光刻机，这也意味着，一旦该技术研制成功，并且走向成功，我们将彻底打破被西方卡脖子的局面。甚至在该领域，乃至未来全球的芯片市场，我们都能占据优铅滑势。