光子电路设计在无晶圆厂生态系统中蓄势待发

　　以成熟度来看，尽管光学整合技术大约较电子整合落后30年，但它仍是一种快速进展的技术。光学整合在2000年的网络泡沫化时代历经最佳的发展，当时约有数百万种用于光纤网络的被动光学组件开始被整合于以硅制造的平面光波电路（PLC）中。

　　如今，有多种成熟的材料平台可用于无晶圆厂（Fabless）的芯片开发，每一种都具有不同的卓越特性：PLC的优点是低损耗和低成本被动电路；硅（Si）的优点在于高密度和CMOS兼容性；磷化铟（InP）能够在芯片上产生以及放大光路；而氮化硅（Si3N4）则具有低损耗和高密度的特性。

　　图1：以氮化硅（Si3N4）制造的光子芯片，适合带有金属微型加热器的感测应用

　　虽然磷化铟和硅平台通常针对作业于C波段（约1550nm）和O波段（约1310nm）的光纤通讯波长范围进行了优化，但PLC和氮化硅则能作业于低至400nm的可见光波长范围，目前有许多感测和生物医学应用都作业于这一范围。

　　在选择了能够满足目标应用要求的材料平台后，设计人员接着还必须选择一家特定的代工厂，或是让有经验的IC设计公司（如VLC Photonics）协助选择。光子芯片设计的第一步是根据波导几何形状确定沿着电路传导的光学模式。

　　图2：整合于硅光子微芯片上的精巧型量子光学干扰仪

　　在这个阶段通常会执行全面的频域分析，计算色散、群速、群指数、传播损耗、有效折射率等光学参数，并考虑某些边界条件（如周期性、对称、非对称与金属特性等）。常用方法是有限差分（FD）、薄膜模式匹配（FMM）、有限元素法（FEM）、关联法或高斯模式光纤解算器等，目前已有多种建置这些方法的商用软件工具，如PhoeniX Software或Photon Design等。

　　下一步是这些光模型沿着组成电路的组件进行传播。虽然可采用多种方法（BEP、特征模式扩张、传递矩阵、分离-阶跃），但最常用的方法是光束传播方法（BPM）和时域中的有限差分（FDTD）方法。

　　第一种方法用于缓慢变化的非均匀波导结构（如锥体、弯管、耦合器）中的光线传播，可以在近轴途径下实现纯量（scalar）或向量（vector）总场（而非模场）的单向或双向传播。

　　图3：磷化铟平台复杂的微波光子芯片布局