它会飞到你附近的一块硅上。

你不能创造它;你可能离它只有几微米远。但很有可能有一天，它会出现在你的芯片上。你可能想知道一些关于它的事情，因为它将是你的邻居。

到底是谁要搬进你的地盘?只是一些奇怪的电路。它们看起来和你习惯的电路完全不一样。在所有。

这是因为它们不导电;它们传导光。我们在这里谈论的是硅光子学。关于它的讨论已经有一段时间了，但是，我不知道，对我来说，这感觉就像我们开始接近这成为商业芯片现实的时刻。就当是预感吧。

当我看到光子电路中使用的一些元件时，我的感觉第一次受到了冲击。他们。制造的。不。有意义的。任何。所以我一直在四处寻找，试图根据网络上相当广泛的研究来找出答案。

但很明显，这是另一个99%是数学的领域(双关语)。这里有很多直观的东西，但大多数人都牢牢地扎根于麦克斯韦方程，其中的下摆和卷边折磨着我，就像在一个压力梦中。如果你试图创建一个电路，这些方程是很重要的，但是，因为这是一个光子欣赏会议而不是设计会议，我想让我们保持在一个更直观的水平上。(不像量子在这里，直觉可以发挥作用。)

让我们从最基本的开始。我们在这里讨论的是将光学元件集成到半导体中的能力。而且，如果每个人都打对了牌，目标就是硅光子学，这样我们就得到了大容量硅的经济效益。这样我们就可以把电子和光学集成在同一个芯片上。

让我们先说一件事:虽然，正如我们将看到的，硅有一些很好的光学特性，但它不擅长的一件事是产生绕过芯片的光。由于它的间接带隙，它需要声子的帮助来获得正确的激发。虽然我们试图在长期内解决这个难题，但我们使用其他材料进行激光——这意味着多芯片或复杂的异质材料集成——主要涉及III/V到硅晶圆的键合，这限制了晶圆的尺寸(III/V材料的晶圆不像硅的那么大)。

不管怎样，这都是一种玻璃中的痛苦，这是充满希望的科学家正在试图补救的事情。事实上，就在今年，UCSB做了一些工作，在硅中创造了可以激光的量子阱。但是，在这里，硅并没有进行激光:他们在硅上生长GaAs，然后在硅上生长InAs量子点。因此，这仍然是一个混合材料的游戏，但在这种情况下，一个充分利用可用的硅晶圆尺寸的游戏。

接下来，我们假设有一个合适的光源。现在我们需要做一些事情，比如引导它，过滤它，混合它，和分解它。过滤(或混合)并不仅仅指频率;它也可以处理特定的模式或极化。

我们要做的第一件事是把光从A点传送到b点，硅在这方面做得很好。对于波长大于1.1微米的光，硅是一种无损导体。不管怎样，无限宽的硅片就是。在粗略的边界处有散射损失，但在波导内没有，光在波导内通过全内反射(TIF)传播。

同样，如果你把波导弯曲，就会有一些损耗。曲线越紧，损失越大。紧密的曲线更适合紧密的积分，所以这是一个权衡。

波导有两种主要形式:肋形波导和条形波导。主要的区别是，肋骨是由硅连接的，而带材不是。条带，由于需要更大的蚀刻，有更多的边缘粗糙度，因此更大的损失。然而，他们似乎可以有更大的弯曲，这有助于紧凑。

图1。肋波导和条形波导的截面。

我们要讨论的下一个概念是理解任何光子的关键:光子隐失场．很明显，光以电磁场的形式传播，我们的想法是将它限制在波导内。但数学计算不允许场在波导边缘不连续地消失。因此，电场延伸到波导外，并呈指数衰减。这意味着，在远离波导的一段距离内，你可以“感觉到”波导内部的磁场。

图2。消逝场的概念观。

这个距离不是微不足道的。它可以比波导本身的宽度还要宽。这意味着，如果你想让两个波导紧挨着运行，它们需要保持足够远的距离，让它们感觉不到彼此。相声不仅适用于电线。

另一方面，这成为一个有用的特性耦合光从一个波导到另一个。

图3。利用倏逝场将光耦合到相邻的线上
(上图:截面;下:俯视图)。

是的，你没看错。只要把一个波导放在另一个波导旁边，一个波导发出的信号就会显示在另一个波导上。这是一个基本的耦合器。显然这里有一些能量守恒的东西这样我们就不是无中生有;这就是很多方程的用处:决定什么功率分数、频率、模式和/或极化跨越势垒。

它有一些其他的含义，但是，在我们得到这些之前，我们需要看看另一个重要的组成部分:光栅。你会经常看到“布拉格”这个名字。这种光栅引起反射和偏转;光栅的间距决定了哪些频率受到影响。

如果你读了上周的文章MEMS悬臂梁的光学传感在美国，你可能还记得每个悬臂下都安装了光栅，用来偏转光线，然后再接收光线。这正是我们在这里谈论的。

光栅的结构对其效率也有影响，因为它能使光上下偏转。我见过一种选择，在光栅下面放一面镜子，把任何向下的光反射回来，但把光栅抬高到周围硅的水平之上似乎也有帮助。

图4。光栅允许捕获光或部分光的偏转。在左边，光线上下分裂;一个可选的镜子可以返回向下的光。在右侧，较高的光栅肋骨优先将光线发送上去。

光栅还用于接收来自外部光纤的光进入芯片。如果光水平入射，则不需要这样做，但这样的设置不允许以晶圆形式测试光子芯片(因为测试人员无法接触到芯片的边缘)。相反，来自上方的光被光栅接收进波导。一个单独的光栅以同样的方式将光发送到芯片外。

图5。简化了光线进入芯片的结构(顶部为俯视图;底部为侧面视图)。左边的版本要求光从晶圆片边缘进来(在晶圆片切丁之前是不可能的);在右边，一个光栅带来了非水平的光。输出也使用类似的结构。

漏斗形状的光需要在相对较大的光纤中自由漫游，并轻柔地引导它进入片上波导的更严格的限制。

这些光栅也能反射(在概念上，它们被用在极端紫外线(EUV)光刻所需的复杂掩模中，该掩模采用所有反射光学)。结合我们上面看到的分割效果，你可以构建一个添加-删除过滤器。波导之间的光栅反射所选频率，从而有效地从信号中降低该频率。您还可以添加一个选择性频率。

图6。一种由反向耦合器构建的加-降滤波器。

因为，在这种情况下，光在波导中以相反的方向传播(从左到上;从右下方开始)，这被称为“反向”耦合器。也有共向耦合器。

最后，最酷的一个。这是我最初看到的，它告诉我，我在这里有很多东西要学。一个圆(或环)形成一个谐振腔。一些来自波导的光被耦合到谐振器上，谐振器的直径增强了特定的频率。简单地说，光一直在不停地传播。但是，当然，这是不可能的，至少，持续的弯曲会耗散一些光。但是只要馈电波导中有光，它就会不断地填充谐振腔。

当然，如果你从来没有对光做过任何事情——如果你只是把它放在那里——那么它真的没有任何好处。从另一边剥掉怎么样?通过这样做，你从原来的波导中提取了一个特定的波长，通过谐振器选择它，然后你把这个波长耦合到一个新的波导上。

图7。谐振器剥离一个波长并将其耦合到另一个波导上。

更酷的是，你可以将这些共振器连接在一起，进行一系列的切换，可能会与The Play相媲美。这给了你什么?至少，一条光学延迟线。例如，你可以用它来创建一个干涉仪。这样一串耦合谐振腔称为耦合谐振腔光波导(CROW)。尽管它是由不同的波导组成的，但它确实以波导的方式携带光线，尽管更迂回。

图8。耦合谐振腔光波导(CROW)用作延迟线来创建干涉仪。

有更多的细微差别和变化，但我不打算深入研究。我已经走得有点远了。我的无知可能已经暴露得太多了;没必要冒着暴露真相的风险。

但还有另一个有趣的概念:所谓的光子晶体。这里的想法是设计一个看起来像晶格的结构(在1、2或3维中)，只是光子的大小和间隔。然后你用不规则来限制和引导光线。

图9。光子晶体的概念图:(左)一维;(中间)2 d;(右)3D。3D晶体的制造更具挑战性。

例如，图7的谐振器可能看起来更像下面使用光子晶体。

图10。光子晶体中的谐振腔(俯视图)。

就是这样。简要介绍一些光子学基础知识。现在，当那个奇怪的新邻居搬进来的时候，你可以用愉快的熟悉来迎接它。记得带些千层面来，让你有宾至如归的感觉。

当然，这也留下了一个重要的问题:如何设计这些东西?是否有自动化工作的工具?好吧，这是一个话题几周后．

*作为一个快速的术语提示，如果你想更详细地查看这些东西，我发现，奇怪的是，使用“光学”的网络搜索会让你得到关于光纤的东西;“光子”可能会让你更接近硅。

无耻地拍卡尔校友的马屁，是的，那天我就在看台上。

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