微型化，更高的性能，抗振动性，更小的尺寸面积 和更低的发热，这是采用光子集成电路（photonic integrated circuit,PIC）技术开发新的光子产品带来的几个明显的好处。PIC技术满足开发新的令人兴奋应用的需求，例如现场护理设备，小型化的 LiDAR，量子计算，结构监测和医疗保健用可穿戴设备。在本文中，我们将与 PIC 供应链中不同的公司一起探讨其中的一些新兴应用，这些公司可以提供基于 PIC 的模块的设计、制造、封装和大规模生产所需的技术。
LiDAR系统
尽管PIC被广泛用于数据通信和电信中，但实际上， 在其他应用领域中，该技术也引起了越来越多的关注。一个例子是汽车市场，由于对安全和高级驾驶员辅助以及自动驾驶系统的需求不断增长，诸如 Omnitron Sensors，Fastree 3D，Mouro Labs，Beamagine和LuxC等一些公司正在推动开发新的 LiDAR 系统。基于PIC技术的LiDAR具有更便宜，更轻便，更紧凑，更可靠的潜力，因为基于PIC的 LiDAR系统没有活动的部件。
为了满足对汽车LiDAR系统不断增长的需求，越来越多的公司开始开发基于PIC的LIDAR系统和组件。Lumentum就是这样的一家公司。对于短距离 LiDAR（10- 50m）和机舱监控，Lumentum 提供了大功率940nm VCSEL阵列照明器。对于远距离（200m），他们提供1550nm窄线宽DBR二极管激光器，用于远距离频率调制连续波（FMCW）相干 LiDAR。这两种器件都设计作为闪光灯系统的飞行时间（ToF）光源，实际上旨在提供更高的功率。为了达到更高的功率水平，更长的距离，更高的分辨率和汽车LiDAR所需的性能，Lumentum开发了两种创新解决方案：多结可寻址VCSEL阵列和底部发射器件。
多结VCSEL阵列
通过增加结的数量，在相同类型的整体墙插效率下，也可以增加发射的光子数量。这使得通常用于两个或三个结的低电流能够产生更高的功率水平和更快的应用。
底部发射器件
这种器件可以设计制作成无外部光学器件的结构，并且还能够改变光束轮廓。基本上，将外置镜头放在器件的背面，将芯片上下颠倒，然后顶部向下安装到底座上。这允许集成多结可调阵列和光学器件，从而来实现全新的和新颖的砷化镓图案，这将是下一代探测器 件所必需的（参见图 1）。
▲图1: 底部发射集成光学配置（由Lumentum提供）
还有其他公司为LiDAR提供VCSEL阵列，例如Array photonics，Bandwidth10和Astrum。LiDAR还可以 使用不同类型的激光器，例如Lumibird，Bright solutions，Eblana photonics，BKtel和RIO等公司提供的激光器。
SCANTINEL PHOTONICS是另一家致力于提供具有 成本效益的解决方案来改善车辆感知的公司。它是卡尔 • 蔡司公司（Carl Zeiss AG）的拆分公司，通过使用具有窄带宽和高线性度的1550nm集成扫描光源（参见图 2），进行相干的调频连续波（Frequency-Modulated Continuous Wave, FMCW）测距。这使系统能够生成自主导航所需的高可靠性、大范围的三维环境图像。
▲图2: Scantinel的1550nm FMCW LiDAR方法（由SCANTINEL PHOTONICS提供）
相干测距允许激光器，探测器和大部分光学组件在硅晶圆平台上进行光子集成，从而消除了易于出错的组装和校准步骤。该系统的核心概念是通过有效的多路复用实现高像素率的可扩展性，而多路复用则是通过使用不同FMCW通道的高度并行化来实现的。
使用PIC创建光学增强阵列（optical enhanced array,OEA），可以实现系统的高度集成，低功耗和范围可达300米的固态扫描，并可以以极具竞争力的价格扩展到大批量生产。
SCANTINEL与合作伙伴进行了合作，例如在硅光子 学领域处于欧洲领先地位的欧洲研究中心imec，他们正在与之合作进行固态光束控制，以及用于大规模光子器件制造的封装公司PHIX。
概念芯片的制造验证，或将经过验证的设计进入到初 始原型阶段是一个极其昂贵的过程，因此许多欧洲代工厂 提供多项目晶圆（mupliproject wafer, MPW）服务，其中包括 ：
◎ 氮化硅（SiN）：CNM，imec，LioniX和 LIGENTEC
◎ 磷化铟（InP）：Smart Photonics，Fraunhofer HHI，3-5 labs
◎ 硅光子（SiP）：VTT，imec，IHP和 Cornerstone
多项目晶圆代工厂在同一晶圆中制造不同的芯片，从而降低原型设计阶段的成本。另一个选择是于2019 年启动的JePPIX试生产线。JePPIX旨在直接为公司提供最先进InP芯片工艺线，实现从概念证明到工业原型设计到预生产的途径。其应用包括光纤通信，生物医学器件，下一代移动和便携式器件，天体生物学和量子计算。代工厂还提供用于电路仿真和掩模设计的工艺设计包（PDK），以帮助将概念转化为芯片的过程。PDK可通过Synopsys，VPI Photonics，Luceda，Lumerical，Nazca和PhotonDesign提供的不同软件包来实现。
IPKISS设计平台和量子计算
总部位于比利时的Luceda Photonics提供集成方法的 软件和服务，使光子IC工程师能够享受与电子IC设计师相同的首次设计成功体验。为此目的，他们建立了基于Python语言的IPKISS集成光子学设计平台。该平台是一 个脚本环境，涵盖了完整的光子IC设计流程直至测量反馈，以便实现真正的组件表征和验证。这些组件依靠一个集中定义的模型在不同设计阶段（例如布局，物理和电路仿真）之间实现平稳过渡。这使得设计流程更加稳健，减少了设计错误，并节省了大量的设计时间。
IPKISS平台是模块化的，可以通过其IPKISS.eda模 块进行扩展，以实现与EDA设计流程集成。该模块可以插入到IPKISS平台，以允许将参数单元导出到 EDA工具中，从而使PIC设计人员可以享受专业 EDA环境的好处， 并且可以有能力对复杂组件的细节进行良好的控制。它提 供了从组件到电路的所有层级的自动化和控制——这一功能对于LiDAR 和量子计算应用都特别有吸引力。
另一家仿真软件领域的公司是 VPI Photonics。他 们参与了许多行业领先的研究项目，其中最近的一项是 PlasmoniAC，这是一项由欧盟资助的项目，旨在为基于等离激元的神经形态计算开发一种全新的电路技术。这个项目的目的是要制造出低成本，高能效且紧凑的高速神经形态芯片，以增强欧洲光子芯片产业的竞争力，从而在全 球神经形态和深度学习市场中发挥更大的作用。从根本上讲，该项目是利用了等离激元电路的能量和尺寸效率，并将其应用于神经形态计算架构。VPI的贡献是为等离激元器件开发了一个附加模型库，与它们的光子集成电路模型 结合使用，从而使客户能够构建和模拟神经形态电路，并评估它们的性能。
人们设想PIC将作为近期部署的基于城域量子密钥分配的安全系统的关键技术，该系统利用了纠缠光子可以在 PIC上单独生成、调制和路由的事实。QuSide Technologies和Quix等公司开发了基于PIC的用于随机数光子生成的器件。
另一个应用是XANADU等公司追求的量子计算开 发，XANADU是一家量子光子计算机公司，其使命是制造对所有人都有用并可用的量子计算机。他们目前有三台可用的云计算机，这些云计算机基于氮化硅 PIC 系统，可为近期应用生成高斯过程采样。氮化硅的优点首先是机器可以在室温下运行，并且系统可以轻松集成到现有的电信基础架构中。
健康和农业食品应用
OnePlanet研究中心正在开发个人健康和农业食品应 用，该中心于2019年成立，旨在将基础和应用研究转入实用，以改善人们的健康状况并获取健康和可持续食品。该中心的研究集中在三个主要领域：
①传感，包括非侵入 性，电化学，成像技术；
②数字化和数据分析；
③各种应用， 例如可穿戴设备，氮气传感器盒和 AI 模型。
如图3所示，其光子传感器技术基于氮化硅，是由 imec开发的。
▲图3: OnePlanet研究中心专注于氮化硅传感器技术（由OnePlanet提供）
健康应用包括检测尿液样本中可能指示潜在健康问题的早期标记物，并提供对特定时间范围内所发生变化的观测的设备；用于测量心理健康和压力的可穿戴设备；以及用来衡量个人如何吸收食物并发现胃肠系统问题的数字技术。
农业食品的应用旨在使用传感器和数字技术来使食品生产和加工更具可持续性。具体来说，是为了使农民能够分别监视每棵树木，每种植物和每个动物，以便他们能够在正确的时间和地点快速而准确地做出响应。这样做的目的是节省时间并更有效地使用资源，同时尽可能地保护环境。这样，就有可能在土壤不够肥沃的地方种植农作物，正是这种土地导致了粮食短缺。
MIRPHAB试点生产线的推出与医疗保健和环境应用 相关，用于扩大基于微型中红外光谱传感器的产品的规模，其中包括通过使用阵列波导光栅（arrayed waveguide gratings, AWG）充当光谱仪的PIC。波长范围为3μm至12μm的中红外光与分子振动发生强烈相互作用，会呈现出独特的吸收光谱，从而提供了卓越的检测能力，以及对气体和液体中化学物质的明确检测，进而实现高灵敏度和实时检测，这是令人相当感兴趣的特性，可以用于可穿戴设备，呼吸分析仪，即时护理应用和工业化学物质检测等应用。
Optics11提供适用于工业和生命科学应用的高端光学 传感系统。他们的主要关注点是开发基于高端可调谐激光器的光纤布拉格光栅（FBG）积分器，用于光学传感系统，该系统结合了一种称为Optima的高端光学声波发射系统，可以采样的频率高达兆赫兹。FBG积分器具有高精度和高准确度。Optics11 FAZ 14系列积分器可以采样的频率高达千赫兹。该技术还具有基于传感器的FP和FBG广泛的产品组合，用于测量应变，加速度，温度和压力。该公司在广泛的应用领域拥有丰富的经验，并且目前正在从事下一代基于PIC 的解调器的研究，该解调器适用于低成本，大批量的应用，同时又能够保持高性能。
Optics11 的技术用于实时结构健康监测应用，例如桥 梁，洞穴和风力涡轮机，用于探测位移和维修需求。其他 工业应用包括在高压应用中检测局部放电的声波发射，以 及道路交通监控，这涉及在路面下安装光纤 FBG 阵列以 监控交通流量，速度和载重。
对于生命科学，Optics11技术用于片上器官和细胞 / 组织压痕应用，能够同时测量多达92个器官和组织细胞样品的机械性能。这就需要一个可以同时整合所有样品的平台和高速测量系统。
MedPhab试生产线的创建是为了扩大用于特定应用 领域的器件的生产，这个领域就是医学诊断，包括光纤，微流体，表面功能化，仪器仪表，光电集成，微型模块的微型化和可穿戴设备。MedPhab试生产线利用了PIC技术和其他非PIC的高级资源。
PIC模块封装和测试
在设计和制造了PIC之后，接下来的挑战包括测试，组装和封装。PIXAPP试生产线提供了一系列标准化的光子封装技术，可以放大到大规模生产。PIXAPP 还提供光学，电气和机械封装技术方面的培训。PIXAPP以构建模块的形式提供封装工艺菜单，从而允许在整个供应链中使用标准化的制造工艺，以便用于在主要的光子平台（InP，SOI，SIN）中生产 PIC，对电光 I/O 端口和封装组装工艺采用标准的设计。
包括Bay Photonics，PHIX，AEMtec，AMETEK， Chip Integration Technology Center（CITC），Catapult，Cordon Electronics，Focuz，Fraunhofer IZM，海信宽带，Icon Photonics，INPHOTEC Foundation，PakPIC， Photonics42，Technobis Group和VTT等公司或组织提供封装PIC模块的服务。谈到PIC封装时，微光学也是一个基本方面，PHABULOUS 即是为此创建的试生产线，旨在帮助制造工艺成熟，并提高自由形式微光学结构和功能的制造完备性。
PIC测试现在已成为光子领域的热门话题。PIC测试 存在许多挑战，特别是在速度、动态范围和精度方面，而从仪器角度来看，还有集成、灵活性和自动化程度等要求。EXFO是一家位于魁北克的公司，自 1985年以来一直从事测试测量，在过去的五年中，他们已经开发出了一系列专门针对PIC的产品。
由于一些组件如阵列波导光栅（AWG）的端口数量 很多，或者要在单个管芯上进行测试的组件数量众多，因此基于PIC的无源组件（即引导光的组件）的测试非常具有挑战性。对于无源组件，EXFO提供了 CTP10组件测试平台，该平台是一个多端口检测系统，可与T100S-HP扫频可调谐激光器配合使用，以测量整个电信频谱范围内的光插入损耗、回波损耗和偏振相关损耗，作为自动 PIC测试设置的一部分进行集成，从而可以提高PIC测试的吞吐量，同时减少测试时间。
结论接下来的几年，我们预期超越数据通信 / 电信，对基 于PIC的LiDAR，个人健康，农业食品，生命科学，结构监测和工业应用等系统的需求增长，将为基于 PIC的技术提供明确的机会。在本文中，我们调研了针对这些应用领域开发的一些突破性的PIC技术，以及为PIC设计和测试提供支持服务的相应供应链。除了这些重要的贡献外，欧盟的试验生产线正在通过提供芯片制造和标准化的光子封装技术服务，帮助欧洲中小型企业开发工具和工艺，从而规模化创新的基于 PIC组件的制造，由此取得了长足的进步。
EPIC是欧洲光子产业联盟（European Photonics Industry Consortium）的简写，它促进了光子领域内相关组织的可持续发展。EPIC成员涵盖了LED照明，光伏太阳能，硅光子，光学组件，激光器，传感器，显示器，投影仪，光纤和其他光子相关技术的整个价值链。EPIC通过保持强大的网络并充当技术和商业发展的催化剂和促进者，培育了一个充满活力的光子学生态系统。EPIC与相关行业，大学和公共机构密切合作，以建立更具竞争力的光子产业部门，从而能够在竞争激烈的全球市场中实现经济和技术同步增长。www.epic-assoc.com
◎ 本文仅反映作者的观点，对于其中所含信息的任何使用， 欧盟委员会和 Photonics 21 概不负责。
作者：Ana González
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