近半个世纪以来，集成电路领域一直遵循着摩尔定律飞速发展，但随着芯片愈加小尺寸化，引发了短沟道效应、量子效应、热效应、信号干扰等一系列问题，也给芯片制程的更新换代带来一定的难度，芯片领域的发展因而受到一定的限制。光子作为与电子不同的一种粒子，在进行信息传输时，表现出抗电磁干扰、低能耗、并行处理能力强、速率高等优势，由此进入到人们的视线之中，逐渐被研发应用于人工智能、量子计算等多个领域。下面，小编将为大家介绍一下光子芯片——未来芯片领域弯道超车的新赛道。

介绍

光子芯片，也称光电子芯片或光子集成电路（PIC），是把光波作为信息传输或数据运算载体的芯片。其主要通过光源发射、波导传输、光学元件处理、信号接收、解码的步骤来实现巨量信息的高速传输。与传统电子芯片相比，光子芯片具有高速率、信息失真小、低功耗、尺寸小、易操控等优点，被认为是后摩尔时代的核心技术之一。

集成光子平台常见器件

特性

（1）高速传输：在光子芯片中，光波导是实现光信号传输的核心元件，光波导通过全内反射或光子带隙效应，在芯片内部引导和传输光信号，这种传输方式允许光信号在芯片内部以极高的速度传播，不会受到电子信号传输中电容和电阻的影响。光子芯片是利用光波来传输信息的，传输速度理论上可以达到每秒299792.458公里，而电信号在电路中的传输速度大约是光速的四分之三，且其速度还会因电路温度的升高而有所下降。

（2）低功耗：光子芯片是通过光波来进行信息传输的，在运作的过程中产生的热量较少，且光对温度变化的敏感度较低，可实现在各种环境条件下稳定的工作。在制造时，通过使用高纯度的光纤材料和精确的光波导结构，可以有效减少光信号在传输过程的能量损失。据中国工程院院刊报道，光子芯片的耗电量只有同等级电子芯片的六分之一，

（3）并行处理能力：光子芯片拥有能够同时处理多个光信号的能力，这种能力是由波分复用技术、光子晶体、光波导设计、光学元件、调制器、集成化设计等因素共同作用的结果。光子晶体是由周期性排列的微小结构组成的人工材料，它可以实现对光波频率的选择性控制；光波导是光子芯片中用于引导光信号的结构，可以精确控制光波导的折射率和几何形状；光学元件和调制器可以实现对光信号的调制和处理；集成化设计使光子芯片可以在较小面积上实现信号的产生、传输、调制等全过程。通过以上结构的共同作用，使得光子芯片可以同时对多个光信号进行处理，大大提高了光子芯片数据传输的能力。

*波分复用技术是一种在光纤通信中使用的技术，它允许多个不同波长的光信号同时在同一根光纤中传输，是现代光纤通信系统中的关键组成部分。在波分复用系统中，每个光信号会被调制到不同的波长上，在接收端使用波长选择性器件来分离不同波长的光信号，分别解调每个信号。这些光信号在光纤中独立传播，互不干扰。

波导

（4）抗电磁干扰：光子芯片是利用光波来进行传输的，光波作为一种电磁波，在运作过程中，是沿着特定的光波导结构进行传播的，光波导可以设计成对特定波长的光具有高度选择性，从而减少外部电磁干扰；光子芯片使用的光纤材料通常具有良好的电磁屏蔽性能，可以有效地减少电磁干扰对光信号的影响；光子芯片中的光子晶体和光波导结构可以实现对光波的频率选择性控制，从而减少外部电磁干扰对光信号的影响。这些结构的设计使得光波在芯片内部能够高效地传输，不受电磁干扰影响，在高电磁干扰环境中仍能保持稳定的传输性能。

（5）集成度高：光子芯片是在较小的衬底上集成了多个光子元件，如激光器、探测器、调制器、波导等，以实现多路光信号的并行传输、处理。这种集成化设计可以提高光子芯片的性能、降低功耗、减小体积和重量、简化系统设计。

基于微腔光频梳的硅基光电子集成系统概念图

通过以上简单的介绍，相信大家对于光子芯片有了一个基础的认识，下一节我们将给大家介绍可以适用于光子芯片的材料以及当前光子芯片的发展现状。

参考文献：

1、龚旗煌,罗先刚,刘伍明,等.纳光电子与光子芯片研究：发展与挑战[J].中国科学基金.

2、欧阳晨.基于快速绝热演化原理的集成光子器件研究[D].华中科技大学.

3、汪旻,乔玲玲,方致伟,等.基于超快激光光刻的有源铌酸锂光子集成[J].光学学报.

图源：搜狗百科、世界科学、Nature

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