邊緣光子集成電路有哪些應用？

光子集成電路（PIC）可以實現高速數據傳輸、低功耗和緊湊的尺寸，使其適合集成到邊緣設備中。它們越來越多地用于邊緣人工智能和傳感器應用的信號處理。

硅光子學是一項廣泛的技術。它基于CMOS處理、異構集成和先進的光學功能。絕緣體上硅 （SOI） 是一個關鍵的推動因素。PIC 的一些關鍵要素包括（圖 1）：

• 光波導可以用硅或氮化硅制成，并實現高效的片上光連接。

• 光環諧振器作為基本構建塊，可以與濾光片、調制器、多路復用器和頻率梳發生器集成。還有更專業的設計，例如用于激光和干涉儀的法布里-佩羅諧振器，以及耳語畫廊模式諧振器，它們最適合傳感和非線性光學功能。

• 調制器用于管理光子學特性，例如相位、偏振和強度，以優化 PIC 性能。

• 光電探測器提供 PIC 的光學和電氣部分與外部之間的連接。

• 光耦合元件用于組合、分割或重新分配光信號。光柵耦合器和邊緣耦合器因其獨特的優點而最為常見。光柵耦合器與 CMOS 處理兼容，而邊緣耦合器需要額外的后端處理步驟，例如切割和拋光，但可以提供與外部激光器和電子設備的連接。

邊緣人工智能中的 PIC

PIC 可以支持自動駕駛汽車和機器人中的激光雷達等應用的更低延遲，從而實現更安全的導航。PIC 比傳統 IC 消耗的能耗要低得多，這是能量受限的邊緣設備中的一個重要考慮因素。

由于在邊緣設備上處理數據減少了對云連接的需求和相關的能源需求，因此可以進一步節省能源。消除或最大限度地減少對無線連接的需求也使邊緣設備更具彈性。

先進傳感器中的 PIC

PIC 可用于邊緣應用的高靈敏度和緊湊型傳感器。PIC與邊緣AI相結合，可以直接在傳感器芯片上實現實時物體和面部識別，以及其他復雜的圖像處理功能。

PIC 傳感器被用于環境監測器，可以檢測污染物并測量空氣或水質。它們還用于食品加工中測量成熟度和營養成分等參數。

PIC 芯片實驗室

PIC 傳感器可以對現場的醫療和環境條件進行快速診斷，無需遠程實驗室。在許多情況下，它們還具有更高的靈敏度并提供卓越的結果。對于某些材料，可以使用 PIC 傳感器可靠地檢測 10-18 摩爾/升或溶解在一升溶液中的物質的五分之一摩爾濃度。

圖 2.像這樣基于 PIC 的芯片實驗室生物傳感器可以為醫療診斷提供實時數據。（圖片來源：Aventier)

用于這些應用的集成光學傳感器通常使用氮化硅 （SiN） 制造。SiN波導在可見光到近紅外范圍內具有良好的靈敏度，并且可以用較小的彎曲半徑制造。這使得一個很長的傳感器可以“卷起”，在PIC表面上占用的空間非常小。較長的傳感器具有更高的靈敏度。

一些設計在傳感器上有一層涂層，當它遇到目標分子時，它會改變其折射率。使用光子換能器檢測折射率的變化，并使用光波導連接到芯片實驗室的其余部分（圖 2）。

其他光子學平臺

PIC 是一種多功能技術，可以使用 Si 和 SiN 以外的材料制造。許多 PIC 都采用二氧化硅 （SiO2） 來實現平面光波導等功能。

圖 3.該可調諧激光器系統采用混合集成，將低損耗 SiN PIC 與高性能有源增益 InP PIC 相結合。（圖片：PhotonDelta)

鈮酸鋰 （LiNbO3） 可用于制造低損耗調制器。其低光學折射率和寬透明窗口使其非常適合匹配光纖輸入和輸出。絕緣體上的鈮酸鋰 （LNOI） 技術正在開發中，用于未來的 PIC 設計。

通過使用異構或混合集成混合 PIC 技術，可以同時優化系統成本和性能。例如，已經為軍事系統開發了一種可調諧激光系統，該系統將低損耗 SiN PIC 與高性能有源增益磷化銦 （InP） PIC 相結合（圖 3）。

總結

PIC 正在被用于越來越多的邊緣應用，包括數據處理和傳感器集成。它們可以降低能耗并增強處理能力，并且可以在單芯片上實現，也可以通過融合多種半導體和傳感器技術的異構集成來實現。