光芯片FPGA，迫切需要
电子学非常适合执行快速计算，而光子学则是移动信息的理想选择。然而，后者的一个主要缺点是新光子集成芯片的开发过程缓慢且成本高昂，阻碍了它们的广泛使用。如果光子芯片可以针对不同的应用重新编程，这将大大降低开发成本，缩短上市时间，并提高其使用的可持续性。
电子学非常适合执行快速计算，而光子学则是移动信息的理想选择。然而，后者的一个主要缺点是新光子集成芯片的开发过程缓慢且成本高昂，阻碍了它们的广泛使用。如果光子芯片可以针对不同的应用重新编程，这将大大降低开发成本，缩短上市时间，并提高其使用的可持续性。
图片说明：各种方法根据它们启用的相对移动效率的速度与其相对大移动排名。将提供低功耗、低耗损耗、短光程和小尺寸。更强的机械通行需要更小的面积积或长度来包含相移。
为了运行，可重新编程的光子芯片需要大量高效的电光致动器来切换、分离和过滤通过它们的光信号。通过引入微机电系统 (MEMS) 以及基于液晶的解决方案，研究人员现在正在开发用于大规模和可重构光子集成电路 (PIC) 的低功耗构建模块。这种多功能的光子芯片有望加快在各种行业中的应用，包括生物传感、医疗技术和信息处理。
创新瓶颈 在过去的五年中，我们见证了一场真正的电子革命。电子产品现在为社会中的许多基本活动提供动力。光子技术现在正在加速发展以经历类似的繁荣。新兴 PIC 对于为当今的通信网络和数据中心提供动力越来越重要。同时，这些组件的复杂性也在快速增长。单个光子芯片现在拥有数万甚至数十万个构建块。 然而，与可以购买现成芯片并对其进行编程以在各种应用中执行各种功能的电子芯片世界相比，大多数 PIC 都是特定于应用的。定义芯片上光路的电路是在设计阶段设置的，以实现特定功能的最佳性能，并按设计制造。这使得重新编程没有灵活性，并且几乎不可能将光子芯片重新用于不同的用途。相反，每个新应用都需要新的芯片设计。
图片说明：可编程序光子电路。芯片上的光流通过可调谐耦合器和移动器组合成的光门网来控制。布在不同的路上，可以实际各种功能，包括波长滤波器。
光子芯片的设计、制造和测试周期缓慢且成本高昂。很容易需要 12 个月才能知道芯片制造运行的结果。而且由于光子学生态系统还不如电子学生态系统成熟，制造的芯片并不总是按预期工作，特别是在非常复杂的电路的第一次迭代中。
因此，根据目标和成功所需的芯片迭代次数，将想法转化为实际产品可能很容易需要五到六年的时间。这个时间尺度对想要将光子芯片技术带入新应用领域的创新者构成了巨大的进入壁垒。如今，PIC 主要用于电信和数据通信环境。虽然在传感、光谱学、激光雷达和量子信息处理方面已经出现了令人兴奋的 PIC 演示，但在这些不同的应用领域中，基于 PIC 的实际商业产品数量仍处于个位数。
打破这种僵局并降低进入门槛的一种可能解决方案是将可编程性引入光子电路。
我们可以再次看一下电子产品的例子。多用途可编程电子产品，例如现场可编程门阵列 (FPGA)，一直是消费电子产品创新的关键推动因素。光子学需要具有类似使用模型的芯片：购买通用的现成芯片，然后对其进行配置以执行所需的光学功能。像这样的可编程光子芯片可以将新光子产品的原型制作时间从多年缩短到几个月甚至几周。这将极大地促进光子芯片的使用及其应用的多样性。
图片说明：液晶驱动。波导旁边的硅轨充当电极，以重新定向间隙中的液晶。这引起通过波导的光的相移。使用喷墨打印（顶部）将液晶局部沉积到芯片上的小空腔中。为了表征移相器，它被嵌入到不平衡马赫-曾德尔干涉仪的一个臂中（底部）。
Ghent University、imec 和其他组织正在开展合作项目，以创建此类通用可编程光子芯片。与专用芯片一样，它们也面临着一系列新挑战。
为了使芯片上的光路可配置，有必要结合数十万个由电可调移相器控制的光门。这些移相器可以在光的各种路径中引起微小的延迟，然后导致光波的相长干涉或相消干涉，并导致光信号改变它们的路径。因此，光门充当耦合两个输入和两个输出的微观开关，具有在 0% 到 100% 的范围内连续调整光分离的附加能力，并且还提供对光相位的控制。这种完全控制是有代价的：这些基本构建块需要表现得非常好，因为光必须通过一长串移相器。
微机电系统和液晶 在光子芯片上实现光闸的传统方法是使用微型加热器。这些是位于波导附近的微型电加热器。加热波导会改变其光学特性，从而引起相移。尽管这些加热器非常小，但它们每个都消耗许多毫瓦的功率，这使得扩展到非常大的电路变得困难。
MEMS 光学移相器。硅 (Si) 波导的两侧是薄的硅轨。所有的元素都被暂停了。可以使用梳状驱动致动器中的静电力将导轨拉离波导。当硅轨离波导较远时，波导中的光将在附近记录较少的硅并传播得更快，从而引起相移。
2018 年，欧盟资助的 MORPHIC 项目启动，旨在通过先进的波导 MEMS 增强可编程硅光子电路。MEMS 是小型机械致动器，尺寸只有几微米，可以改变两个波导之间的距离。这些可移动波导可以静电驱动，只需在电容器上保持电压即可。没有静态功耗来维持设备的状态。MEMS 移相器的光学效应非常强。物理移动硅结构使设备能够在光感知的光学环境中产生非常大的变化。
MORPHIC 联盟展示了 MEMS 移相器和可调谐波导耦合器，其长度仅为 60 µm，功耗水平为纳瓦级。虽然这不是 MEMS 致动器第一次与光波导相结合，但 MORPHIC 展示了 MEMS 首次集成到完整的硅光子平台中，而没有牺牲平台上其他关键组件的性能，例如高速调制器和锗光电探测器。
这种整合并不简单。传统的硅光子波导被封装在二氧化硅和其他电介质的包层中，可移动的波导组件必须是独立的，这意味着它们悬浮在空气或真空中。包括 MORPHIC 在内的六个欧洲合作伙伴组成的团队解决了这个问题，方法是局部去除波导下方的支撑层以使其可移动，然后使用晶圆级气密密封方法保护独立式 MEMS 器件。因此，这些设备可以连接到更大的电路中，并使用高密度插入技术连接到定制设计的多通道驱动器和读出电子设备。从晶圆级加工一直到封装和编程，研究人员证明，这些波导 MEMS 致动器可以用作硅光子芯片上的高效光学调谐机制。这一成就需要多学科的努力，涉及半导体加工；电气、光学和机械设计能力；以及多种包装和装配工艺以及软件例程的开发。
在采用 MEMS 方法的同时，研究人员还在探索液晶在可编程光子芯片中的潜力。液晶材料是双折射的，这意味着它们可以通过使用局部电场重新定向液晶分子来改变折射率。
在欧洲研究委员会的两项资助下，PhotonICSWARM 和 LIQUORICE 项目的研究人员通过在液晶包层中局部嵌入波导，成功地将液晶集成到功能齐全的硅光子芯片上。波导中的光记录液晶分子的局部旋转，可以用附近的电极驱动。由此产生的 50 μm 长的移相器使研究人员能够实现 0.8-π 的偏移，仅由 5 V 驱动且功耗仅为几微瓦。
图片说明：在 MORPHIC 项目期间开发的大规模装配流。硅芯片最多可暴露 3305 个电连接。这些与大型陶瓷内插器的尺寸相匹配，该陶瓷内插器将许多连接断开到与标准印刷电路板兼容的尺寸。由 Interposer 提供 图片由 Tyndall National Institute 提供。
理想的移相器消耗的电能非常少，光学损耗低，并且具有最小光学长度的占地面积。如果移相器提供非常快的纳秒级响应时间并且可以使用 CMOS 兼容电压进行控制，这也会有所帮助。满足所有这些要求是非常困难的，迄今为止，还没有这种理想移相器的演示。但最近对液晶和 MEMS 设备的合作研究提供了两种有前途的候选技术，研究人员正在使用这些新的移相器来实现更大的可编程电路。
完整的技术栈 可编程光子学不仅仅是芯片上的光门网络。这些执行器中的每一个都必须连接到驱动电子设备，而驱动电子设备必须使用从片上光电二极管收集的监控信号，通过多层软件进行控制。所有这些都必须结合使用光学、电学、热学和机械封装技术来整合。要实现可编程光子学的潜力，必须涵盖技术堆栈中的所有元素。 MORPHIC 在 2022 年完成了其目标，但该联盟在后续项目 PHORMIC 中开启了新篇章。该团队引入了更多的合作伙伴来帮助解决构建大规模可编程硅光子芯片的另一个关键方面：将转印光学放大器和光源集成到同一芯片上。 放大器可以帮助克服较大电路中累积的光学损耗，但它们也提供了在芯片本身上设计可编程光源的可能性。 这两个项目的总体目标是开发一个光子平台，在该平台上可以使用单个芯片来演示各种光学功能，例如调制或解调不同的光通信格式、读出光学传感器信号或为光谱应用。结合机载高速调制器和检测器，这种基于芯片的平台还可以实现微波功能，这对下一代 6G 无线通信网络非常有价值。 使用同一芯片对不同功能进行原型设计的能力可能会改变 PIC 领域的游戏规则，因为它可以实现在电子产品开发中证明非常成功的同类快速开发模型。 总部位于西班牙巴伦西亚的初创公司 iPronics 最近宣布，它已将首款此类可操作光子处理器商业化，受到了热烈欢迎。这一成就表明，光电子行业正走在正确的道路上，以在光子集成芯片领域实现更广泛的采用和创新。