光子芯片也被稱為光子集成電路(Photonic Integrated Circuit，PIC)，是基于硅基光子集成技術實現矩陣式并行計算的新型光學器件。光子芯片與傳統電子計算基礎器件相比具有低功耗和超高速的優勢，更適合用于實現人工智能算法中的線性運算。
20 世紀 80 年代，光子學通過其在光纖通信中的作用獲得了關注。21世紀初，Meint Smit 開始在集成光子學領域開拓先河。1979年，錢學森教授在《中國激光》上著文，首次提出“光子學、光子技術和光子工業”的構想。2024年5月，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員歐欣領銜的團隊在光子芯片領域取得突破性進展，他們開發出酸鋰異質集成晶圓，并成功用其制作出高性能光子芯片，相關研究成果5月8日在線發表于《自然》雜志。
與電子集成電路相比，光子芯片采用更高頻率的光波來傳輸信息，而不是電流信號。光子集成電路有更低的傳輸損耗、更寬的傳輸帶寬、更小的時間延遲以及更強的抗電磁干擾能力。市場上有越來越多的傳感器技術創新應用，比如光子芯片在光纖通信領域的應用和醫療領域、汽車工程、食品農業的傳感器上的應用。
定義
光子芯片是一種集成光學器件，用于處理和傳輸光信號的芯片。它利用光信號進行數據的獲取、傳輸、計算、存儲和顯示。
光子芯片通常由多個光學元件組成，如激光器、光波導、光調制器、光探測器和光纖耦合器等。這些元件被集成在一塊半導體芯片上，通過微納加工技術實現高度集成和緊湊的結構。
基本原理
光子芯片是光版本的電芯片，是將光子在芯片上進行處理，和電子芯片是一種對應關系。光信號以30萬公里每秒的速度在指甲蓋大小的線路中奔跑。利用光的干涉效應和其他屬性可以操控和處理信息。其利用半導體發光，結合光的速度和帶寬，具備了抗干擾性和快速傳播的特性。
主要類別
光芯片按功能可以分為激光器芯片和探測器芯片，其中激光器芯片按出光結構可進一步分為面發射芯片和邊發射芯片，面發射芯片包括 VCSEL 芯片，邊發射芯片包括 FP、DFB 和 EML 芯片，激光芯片主要用于發射信號，將電信號轉化為光信號，而探測器芯片主要有 PIN 和 APD 兩類，主要用于接收信號，將光信號轉化為電信號。
從原材料來分，光子芯片通常使用三五族化合物磷化銦（InP）和砷化鎵（GaAs）作為芯片的襯底材料，磷化（InP）襯底用于制作 FP、DFB、EML 邊發射激光器芯片和 PIN、APD探測器芯片，主要應用于電信、數據中心等中長距離傳輸；化鎵（GaAs）襯底用于制作 VCSEL 面發射激光器芯片，主要應用于數據中心短距離傳輸、3D感測等領域。
制備工藝和流程?
光子芯片的制造流程主要包括芯片設計、光刻、蒸鍍、離子注入、焊接等 。這其中，芯片設計是整個流程的關鍵環節，需要根據具體的應用需求設計如波導、光調制器、光探測器等不同的光學器件。光刻是核心技術之一，它通過光照、顯影等步驟將芯片的圖案轉移到光子芯片上。蒸鍍是將金屬等材料蒸發在芯片表面，形成金屬電極等結構。離子注入是在芯片表面注入離子，改變芯片材料的光學性質，從而實現光子芯片的電控制。焊接是將不同的光學器件組合在一起，形成完整的光子芯片。
歷史沿革
光子學是光子檢測、產生和操縱背后的科學。根據量子力學和阿爾伯特·愛因斯坦于1905年首次提出的波粒二象性概念，光既是電磁波又是粒子。
在20世紀50年代美國仙童公司聯合創始人羅伯特-諾伊斯在內的許多工程師想到了集成電路的概念，在杰克·基爾比研究出了第一個能使用的集成電路之后，諾伊斯提出了一種“半導體設備與鉛結構”模型。1960年，仙童公司制造出第一塊可以實際使用的單片集成電路。基爾比和諾伊斯被公認為是集成電路的共同發明者，都被授予“國家科學獎章”。
到 20 世紀 80 年代，光子學通過其在光纖通信中的作用獲得了關注。21世紀初，代爾夫特理工大學一個新研究小組的助理Meint Smit 開始在集成光子學領域開拓先河。他因發明陣列波導光柵 (AWG) 而受到贊譽：這是現代互聯網和電話數字連接的核心組件。Smit 獲得了多個獎項，包括 ERC 高級資助、光電排名獎和 LEOS 技術成就獎。
1979年，錢學森教授在《中國激光》上著文，首次提出“光子學、光子技術和光子工業”的構想。
2022 年 10 月，在哥本哈根丹麥技術大學進行的一項實驗中，光子芯片通過7.9 多公里長的光纜以每秒1.84?PB的速度傳輸數據。首先，數據流被分成 37 個部分，每個部分都沿著光纖電纜的一個單獨的核心發送。接下來，這些通道中的每一個都被分成 223 個部分，對應于光譜中等距的光尖峰。2024年5月，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員歐欣領銜的團隊在光子芯片領域取得突破性進展，他們開發出鉭酸鋰異質集成晶圓，并成功用其制作出高性能光子芯片，相關研究成果5月8日在線發表于《自然》雜志。此次科研團隊采用的基于“萬能離子刀”的異質集成技術，通過離子注入結合晶圓鍵合的方法，制備了高質量硅基鉭酸鋰單晶薄膜異質晶圓；同時，與合作團隊聯合開發了超低損耗鉭酸鋰光子器件微納加工方法，成功制備出鉭酸鋰光子芯片
相較電子芯片的優缺點
與電子芯片相比，光子芯片采用更高頻率的光波來傳輸信息，而不是電流信號。光子集成電路和光互連技術展示出了一些顯著優勢，包括更低的傳輸損耗、更寬的傳輸帶寬、更小的時間延遲以及更強的抗電磁干擾能力。此外，光互連還可以通過采用多種復用方式（如波分復用WDM和模分復用MDM）來提高傳輸介質內的通信容量。因此，基于集成光路的片上光互連被認為是一項具有巨大潛力的技術，能夠克服電子傳輸所面臨的瓶頸問題。
業內專家指出，光子芯片在存儲上，短期內是無法代替電子芯片的。不過從長期看，光子技術不斷迭代而且發展遠快于傳統數字芯片，未來大面積替代電子芯片的可能性很高。
應用
通信領域
在通信領域，光子芯片主要應用于光纖通信領域。在波分復用(WDM)光纖通信系統中光子芯片通常用作光學（解）復用器的陣列波導光柵(AWG) 。另外，光纖通信系統中的外部調制激光器 (EML)，結合了分布式反饋激光二極管和電吸收調制器。如，EFFECT Photonics 開發價格適中的高性能光通信解決方案中SPF+ 光收發器，有助于滿足帶寬和更快數據傳輸的需求。
光子芯片還可以通過部署少模光學平面波導來提高帶寬和數據傳輸速度。特別是，如果模式可以很容易地從傳統的單模平面波導轉換為少模波導，并有選擇地激發所需的模式。例如，雙向空間模式切片器和組合器可用于實現所需的高階或低階模式。其工作原理取決于 V 形或 M 形漸變折射率平面波導的級聯級。
光子芯片不僅可以提高帶寬和數據傳輸速度，還可以降低數據中心的能源消耗，數據中心將大部分能源用于冷卻服務器。與純電子解決方案相比，PIC 產生的熱量要少得多，并且可以減輕對冷卻的需求，從而降低能耗。例如，QuiX Quantum 開發的量子光子處理器使量子光子計算機能夠在室溫下運行，從而減小尺寸和成本。
醫療領域
在醫療領域的使用使得生物傳感器更先進，并且創造了更實惠的診斷生物醫學儀器，集成光子學將診斷從實驗室帶到醫生和患者手中，縮短了等待的時間。例如，SurfiX Diagnostics 的診斷平臺基于超靈敏的光子生物傳感器，可提供多種即時檢測，Amazec Photonics 開發了一種帶有光子芯片的光纖傳感技術，無需將溫度傳感器注入體內即可實現高分辨率溫度傳感（0.1 毫開爾文的分數）。
汽車工程
在汽車工程方面，光子芯片可以應用于傳感器系統，如激光雷達（代表光檢測和測距）可以監測車輛周圍的環境。它還可以通過Li-Fi部署車內連接。該技術促進了車輛與公用事業之間的通信，以提高駕駛員的安全性。例如，一些現代車輛會拾取交通標志并提醒駕駛員限速。應用在工程方面，光纖傳感器可用于檢測不同的量，例如壓力、溫度、振動、加速度和機械應變。
食品農業
光學傳感器應用在農業和食品工業中，可以減少浪費和檢測疾病。由光子芯片提供支持的光傳感技術可以測量超出人眼范圍的變量，從而使食品供應鏈能夠檢測水果和植物的疾病、成熟度和營養成分。它還可以幫助食品生產商確定土壤質量和植物生長情況，以及測量 CO?2排放量。MantiSpectra 開發的新型微型近紅外傳感器小到可以裝入智能手機，可用于分析牛奶和塑料等產品的化學成分。
未來發展與挑戰
光子芯片被認為是“后摩爾時代”信息領域發展的核心技術之一。光子芯片對于突破電子芯片“卡脖子”的現實問題具有重要戰略意義，納光電子學的發展為實現更高性能和更高集成度的光子芯片技術奠定了基礎。
近十年來，歐美發達國家在光子產業領域進行了系統的部署和行動。1991年，美國政府將光子學列為國家發展的重點領域，認識到光子學對國家安全和經濟競爭的重要意義和潛力。為此，美國成立了"美國光電子產業振興會”“國家光子計劃"產業聯盟以及國家光子集成制造創新研究所等機構。為了保持在全球光基礎技術創新方面的領先地位，2021年，美國國會牽頭成立了國家光學與光子學核心小組，并投入巨資支持光子技術的發展。此外，IBM、英特爾、思科等科技巨頭也在光子芯片領域進行了廣泛的布局。
我國在多個區域已將光子產業確定為最具戰略性、基礎性和先導性的新興產業，并進行了相應的部署。北京加快了光電子新型研發機構的建設，并發起成立了光子硬科技投資基金。陜西省率先發布了"追光計劃"，致力于打造國內首個集"新型研發機構+共性技術平臺+基金+產業集群"于一體的融合光子產業創新生態。光子技術產業革命即將到來，類似于從晶體管進入集成電路時代的技術革命，集成光路將成為半導體領域60年一遇的"換道超車"的重要機遇。光子芯片有望成為第四次科技革命中5G、物聯網、人工智能等技術和產業的基礎設施，推動人類社會邁向"光子時代"。
參考資料 >
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Meint Smit Named 2022 John Tyndall Award Recipient.Optica.2023-05-23
以科技革命的戰略眼光布局光子芯片.新華網.2023-05-23
突破性進展！我國科學家開發出可規模制造的光子芯片材料.嗶哩嗶哩.2024-05-09
我國高性能光子芯片領域取得突破.百家號.2024-05-09
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2020中國光子產業高峰論壇聚焦“光子芯片”.今日頭條.2023-07-28
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專訪金賢敏:中國光量子計算屬于國際第一方陣.澎湃新聞.2023-07-29
什么是光子芯片?光子芯片的原理和應用前景.維科網.2023-07-29
光芯片的基本類型.百家號.2023-07-29
光子芯片的原理和應用.中國ic網.2023-07-29
從舊量子論到量子力學的演變.中國數字科技館.2023-05-23
愛因斯坦的真正革命性思想--光量子假說.物理雙月刊.2023-05-23
集成電路50年發展史.中國科學院微電子所集成電路先導工藝研發中心.2023-05-23
Chip can transmit all of the internet's traffic every second.newscientist.2023-05-23
光子芯片商業化，就快來了.今日頭條.2023-07-28
How Can Photonic Chips Help to Create a Sustainable Digital Infrastructure?.insidetelecom.2023-05-23
TheLEAPTechnologyLandscape.github.2023-05-23
Integrated photonics for quantum applications.laserfocusworld.2023-05-23
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Roadmap Integrated Photonics for Automotive.PhotonDelta.2023-05-23
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Let there be light: Netherlands probes photonics for food security solution.foodnavigator.2023-05-23
納光電子與光子芯片研究:發展與挑戰.知網空間.2023-07-28