光子集成電路工作原理定義是光子集成電路PIC使用激光源注入驅(qū)動(dòng)元件的光，就像轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)注入能量為電子元件供電一樣。集成光子技術(shù)，通常被稱(chēng)為超越摩爾，是一種使用光而不是電來(lái)解決電子產(chǎn)品集成和發(fā)熱等缺點(diǎn)的技術(shù)。通過(guò)使用這項(xiàng)技術(shù)，小工具現(xiàn)在可以以更快的速度傳輸數(shù)據(jù)。PIC具有體積小、速度快、熱效應(yīng)小、集成能力大以及與當(dāng)前工藝流程兼容等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量、大規(guī)模生產(chǎn)和更低的價(jià)格。集成光子學(xué)的眾多應(yīng)用包括數(shù)據(jù)傳輸、傳感、汽車(chē)工業(yè)和天文學(xué)。
光子集成電路的應(yīng)用領(lǐng)域：
PIC使用激光源注入驅(qū)動(dòng)元件的光，就像轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)注入能量為電子元件供電一樣。集成光子技術(shù)，通常被稱(chēng)為超越摩爾，是一種使用光而不是電來(lái)解決電子產(chǎn)品集成和發(fā)熱等缺點(diǎn)的技術(shù)。
該技術(shù)將設(shè)備提升到一個(gè)新的水平，實(shí)現(xiàn)更快和更大的數(shù)據(jù)傳輸速率。PIC具有諸如縮小尺寸、加快速度、減少熱效應(yīng)以及與當(dāng)前加工工藝兼容等優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量、巨大的集成能力、大規(guī)模生產(chǎn)和更低的價(jià)格。集成光子學(xué)主題有很多用途，包括數(shù)據(jù)傳輸、傳感、汽車(chē)行業(yè)和天文學(xué)。
1.醫(yī)療保健和醫(yī)學(xué)
集成光子學(xué)打開(kāi)了芯片實(shí)驗(yàn)室(LOC)技術(shù)的大門(mén)，通過(guò)使用先進(jìn)的生物傳感器和價(jià)格更合理的生物醫(yī)學(xué)診斷工具，減少等待時(shí)間并讓醫(yī)生和患者進(jìn)行診斷。SurfiX Diagnostics的診斷平臺(tái)提供多種基于超靈敏光子生物傳感器的即時(shí)檢測(cè)。
同樣，Amazec Photonics使用光子芯片創(chuàng)建了一種光纖傳感技術(shù)，無(wú)需將溫度傳感器注入體內(nèi)即可進(jìn)行高分辨率溫度檢測(cè)（0.1毫開(kāi)爾文的分?jǐn)?shù)）。醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人員可以通過(guò)這種方式測(cè)量心輸出量和體外循環(huán)的血液量。EFI的OptiGrip設(shè)備是光學(xué)傳感器技術(shù)的另一個(gè)例子，因?yàn)樗雇饪漆t(yī)生能夠在微創(chuàng)手術(shù)過(guò)程中更好地控制組織感覺(jué)。
2.汽車(chē)和工程應(yīng)用
PIC可用于傳感器系統(tǒng)，例如激光雷達(dá)（光檢測(cè)和測(cè)距），以監(jiān)控移動(dòng)車(chē)輛周?chē)膮^(qū)域。車(chē)內(nèi)連接也可以使用Li-Fi提供，Li-Fi是一種與WiFi類(lèi)似但使用光的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)使車(chē)輛和城市基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信變得更加容易，從而提高了駕駛員的安全性。例如，現(xiàn)代汽車(chē)可以識(shí)別交通標(biāo)志并提醒司機(jī)注意張貼的限速。
工程師可以使用光纖傳感器來(lái)測(cè)量各種參數(shù)，包括壓力、溫度、加速度、振動(dòng)和機(jī)械應(yīng)變。PhotonFirst的傳感器使用集成光子學(xué)來(lái)測(cè)量電動(dòng)汽車(chē)電池的溫度、基礎(chǔ)設(shè)施的壓力以及飛機(jī)形狀的變化。
3.農(nóng)業(yè)與食品
為了減少浪費(fèi)和檢測(cè)疾病，傳感器被用于農(nóng)業(yè)和食品部門(mén)的進(jìn)步。得益于PIC支持的光傳感器技術(shù)，食品供應(yīng)鏈現(xiàn)在可以識(shí)別水果和植物的疾病、成熟度和營(yíng)養(yǎng)成分。除了測(cè)量二氧化碳排放量外，它還可以幫助食品生產(chǎn)商確定土壤質(zhì)量和植物生長(zhǎng)情況。MantiSpectra創(chuàng)造的新型微型近紅外傳感器可以檢測(cè)牛奶和塑料等物品的化學(xué)成分。它非常小，可以放在智能手機(jī)中。
4.制造和材料
PIC目前是在化合物和標(biāo)準(zhǔn)元素半導(dǎo)體、非線性晶體和介電材料上生產(chǎn)的。具體的應(yīng)用要求決定了最合適的基板材料，因?yàn)槊糠N材料都有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如，具有集成柔性鈮酸鋰的柔性硫族化物玻璃可以制造具有機(jī)械柔性的光子晶體。
材料的透明度、折射率和直射光產(chǎn)生能力決定了完成的PIC的特性和應(yīng)用。材料的彎曲損耗和彎曲半徑也會(huì)影響PIC特性。彎曲半徑指定纖維在斷裂前可以彎曲多少。相反，彎曲損耗表示光纖（或另一波導(dǎo)）中由于彎曲而產(chǎn)生的傳播損耗（功率密度降低）。基于磷化銦(InP)的單片集成和硅光子學(xué)是目前使用最廣泛的兩種襯底，盡管二氧化硅(SiO2)和氮化硅(SiN)也越來(lái)越受歡迎。
5.磷化銦(InP)
最完善的PIC平臺(tái)是磷化銦(InP)。干涉儀、高性能放大器、激光器、調(diào)制器和探測(cè)器與干涉儀組裝在一個(gè)芯片上，允許在1.11.6 m光譜窗口中集成有源和無(wú)源元件。數(shù)據(jù)傳輸、精確計(jì)量（如自動(dòng)駕駛汽車(chē)中的激光雷達(dá)）、光譜測(cè)量和成像都用于P集成光子學(xué)。
6.硅光子學(xué)(SiPh)
硅光子學(xué)(SiPh)是開(kāi)發(fā)集成光子學(xué)的重要組成部分，以硅(Si)的成功作為IC可靠性的基礎(chǔ)。由于大多數(shù)集成電路已經(jīng)使用硅作為它們的襯底，因此可以使用現(xiàn)有可用的半導(dǎo)體制造技術(shù)來(lái)創(chuàng)建硅光子器件。這使得芯片能夠集成光學(xué)和電子元件以生產(chǎn)混合設(shè)備。
硅非常適合波長(zhǎng)為1.55微米的光纖通信系統(tǒng)，因?yàn)樗鼘?duì)波長(zhǎng)超過(guò)1.1微米(m)的紅外光是透明的。此外，它的折射率大大高于氧化硅(1.5)，大約為3.5，允許在植入氧化硅（波導(dǎo)）中的硅結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)更多的光限制。由于這些特性，Si非常適合用于電信。
7.氮化硅(SiN)
基于氮化硅(SiN)的系統(tǒng)最近受到歡迎，因?yàn)榕c其他PIC平臺(tái)相比，它們具有寬廣的透明窗口（從可見(jiàn)光到中紅外）和相對(duì)較低的光學(xué)損耗。由于其在波導(dǎo)中極低的光強(qiáng)度損失、微小的彎曲半徑和可調(diào)偏振，氮化硅(SiN)在可見(jiàn)光、近紅外(NIR)和紅外范圍內(nèi)的被動(dòng)光處理方面表現(xiàn)出色。通過(guò)PIC級(jí)混合集成技術(shù)，如果應(yīng)用程序需要，可以將在不同技術(shù)平臺(tái)（例如InP）上制造的有源元件連接到SiN PIC到同一封裝中。
在荷蘭Lionix International公司獨(dú)特的TriPleX波導(dǎo)設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)了氮化硅波導(dǎo)的最低傳播損耗（0.1 dB/cm低至0.1 dB/m）。它的工作范圍很廣，從405 nm到2350 nm。他們還創(chuàng)造了一種專(zhuān)有的錐形技術(shù)，將最佳光纖耦合的低對(duì)比度模式轉(zhuǎn)換為微小彎曲半徑的高對(duì)比度模式。正在進(jìn)行大規(guī)模的研究計(jì)劃，以減少現(xiàn)在所需的組裝階段數(shù)量，提供無(wú)損材料轉(zhuǎn)換，并開(kāi)發(fā)更實(shí)惠的制造工藝。
8.鈮酸鋰（LiNbO3）
一種稱(chēng)為鈮酸鋰(LiNbO3)的非線性晶體材料非常適合執(zhí)行非線性操作或受益于該材料特性的操作的設(shè)備。聲光換能器或電光調(diào)制器是兩個(gè)例子。在光刻控制下的鈮酸鋰基板上，可以創(chuàng)建波導(dǎo)。放大器和激光器可以通過(guò)用稀土離子摻雜鈮酸鋰來(lái)制造。
雙折射是LiNbO3的一個(gè)特性，這意味著偏振方向會(huì)影響材料的折射率。結(jié)果，偏振控制成為可能，這可以應(yīng)用于過(guò)濾或其他類(lèi)似任務(wù)。這種特性使得構(gòu)建與偏振無(wú)關(guān)的設(shè)備（光纖通信經(jīng)常需要）更具挑戰(zhàn)性。
