未來芯片領域彎道超車新賽道：光子芯片（特性篇）

發(fā)布時間 | 2024-07-31 10:59 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 517

導讀：近半個世紀以來，集成電路領域一直遵循著摩爾定律飛速發(fā)展，但隨著芯片愈加小尺寸化，引發(fā)了短溝道效應、量子效應、熱效應、信號干擾等一系列問題，也給芯片制程的更新?lián)Q代帶來一定的難度，芯片...

近半個世紀以來，集成電路領域一直遵循著摩爾定律飛速發(fā)展，但隨著芯片愈加小尺寸化，引發(fā)了短溝道效應、量子效應、熱效應、信號干擾等一系列問題，也給芯片制程的更新?lián)Q代帶來一定的難度，芯片領域的發(fā)展因而受到一定的限制。光子作為與電子不同的一種粒子，在進行信息傳輸時，表現(xiàn)出抗電磁干擾、低能耗、并行處理能力強、速率高等優(yōu)勢，由此進入到人們的視線之中，逐漸被研發(fā)應用于人工智能、量子計算等多個領域。下面，小編將為大家介紹一下光子芯片——未來芯片領域彎道超車的新賽道。

未來芯片

介紹

光子芯片，也稱光電子芯片或光子集成電路（PIC），是把光波作為信息傳輸或數(shù)據(jù)運算載體的芯片。其主要通過光源發(fā)射、波導傳輸、光學元件處理、信號接收、解碼的步驟來實現(xiàn)巨量信息的高速傳輸。與傳統(tǒng)電子芯片相比，光子芯片具有高速率、信息失真小、低功耗、尺寸小、易操控等優(yōu)點，被認為是后摩爾時代的核心技術之一。

集成光子平臺常見器件

特性

（1）高速傳輸：在光子芯片中，光波導是實現(xiàn)光信號傳輸?shù)暮诵脑獠▽ㄟ^全內(nèi)反射或光子帶隙效應，在芯片內(nèi)部引導和傳輸光信號，這種傳輸方式允許光信號在芯片內(nèi)部以極高的速度傳播，不會受到電子信號傳輸中電容和電阻的影響。光子芯片是利用光波來傳輸信息的，傳輸速度理論上可以達到每秒299792.458公里，而電信號在電路中的傳輸速度大約是光速的四分之三，且其速度還會因電路溫度的升高而有所下降。

（2）低功耗：光子芯片是通過光波來進行信息傳輸?shù)模谶\作的過程中產(chǎn)生的熱量較少，且光對溫度變化的敏感度較低，可實現(xiàn)在各種環(huán)境條件下穩(wěn)定的工作。在制造時，通過使用高純度的光纖材料和精確的光波導結(jié)構，可以有效減少光信號在傳輸過程的能量損失。據(jù)中國工程院院刊報道，光子芯片的耗電量只有同等級電子芯片的六分之一，

（3）并行處理能力：光子芯片擁有能夠同時處理多個光信號的能力，這種能力是由波分復用技術、光子晶體、光波導設計、光學元件、調(diào)制器、集成化設計等因素共同作用的結(jié)果。光子晶體是由周期性排列的微小結(jié)構組成的人工材料，它可以實現(xiàn)對光波頻率的選擇性控制；光波導是光子芯片中用于引導光信號的結(jié)構，可以精確控制光波導的折射率和幾何形狀；光學元件和調(diào)制器可以實現(xiàn)對光信號的調(diào)制和處理；集成化設計使光子芯片可以在較小面積上實現(xiàn)信號的產(chǎn)生、傳輸、調(diào)制等全過程。通過以上結(jié)構的共同作用，使得光子芯片可以同時對多個光信號進行處理，大大提高了光子芯片數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α?/span>

*波分復用技術是一種在光纖通信中使用的技術，它允許多個不同波長的光信號同時在同一根光纖中傳輸，是現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)中的關鍵組成部分。在波分復用系統(tǒng)中，每個光信號會被調(diào)制到不同的波長上，在接收端使用波長選擇性器件來分離不同波長的光信號，分別解調(diào)每個信號。這些光信號在光纖中獨立傳播，互不干擾。

波導

（4）抗電磁干擾：光子芯片是利用光波來進行傳輸?shù)模獠ㄗ鳛橐环N電磁波，在運作過程中，是沿著特定的光波導結(jié)構進行傳播的，光波導可以設計成對特定波長的光具有高度選擇性，從而減少外部電磁干擾；光子芯片使用的光纖材料通常具有良好的電磁屏蔽性能，可以有效地減少電磁干擾對光信號的影響；光子芯片中的光子晶體和光波導結(jié)構可以實現(xiàn)對光波的頻率選擇性控制，從而減少外部電磁干擾對光信號的影響。這些結(jié)構的設計使得光波在芯片內(nèi)部能夠高效地傳輸，不受電磁干擾影響，在高電磁干擾環(huán)境中仍能保持穩(wěn)定的傳輸性能。

（5）集成度高：光子芯片是在較小的襯底上集成了多個光子元件，如激光器、探測器、調(diào)制器、波導等，以實現(xiàn)多路光信號的并行傳輸、處理。這種集成化設計可以提高光子芯片的性能、降低功耗、減小體積和重量、簡化系統(tǒng)設計。

基于微腔光頻梳的硅基光電子集成系統(tǒng)概念圖