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

硅光子學(xué)是一項(xiàng)廣泛的技術(shù)。它基于CMOS處理、異構(gòu)集成和先進(jìn)的光學(xué)功能。絕緣體上硅 （SOI） 是一個(gè)關(guān)鍵的推動因素。PIC 的一些關(guān)鍵要素包括（圖 1）：

• 光波導(dǎo)可以用硅或氮化硅制成，并實(shí)現(xiàn)高效的片上光連接。

• 光環(huán)諧振器作為基本構(gòu)建塊，可以與濾光片、調(diào)制器、多路復(fù)用器和頻率梳發(fā)生器集成。還有更專業(yè)的設(shè)計(jì)，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(xué)功能。

• 調(diào)制器用于管理光子學(xué)特性，例如相位、偏振和強(qiáng)度，以優(yōu)化 PIC 性能。

• 光電探測器提供 PIC 的光學(xué)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)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(shè)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(jī)器人中的激光雷達(dá)等應(yīng)用的更低延遲，從而實(shí)現(xiàn)更安全的導(dǎo)航。PIC 比傳統(tǒng) IC 消耗的能耗要低得多，這是能量受限的邊緣設(shè)備中的一個(gè)重要考慮因素。

由于在邊緣設(shè)備上處理數(shù)據(jù)減少了對云連接的需求和相關(guān)的能源需求，因此可以進(jìn)一步節(jié)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(shè)備更具彈性。

先進(jìn)傳感器中的 PIC

PIC 可用于邊緣應(yīng)用的高靈敏度和緊湊型傳感器。PIC與邊緣AI相結(jié)合，可以直接在傳感器芯片上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)物體和面部識別，以及其他復(fù)雜的圖像處理功能。

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

PIC 芯片實(shí)驗(yàn)室

PIC 傳感器可以對現(xiàn)場的醫(yī)療和環(huán)境條件進(jìn)行快速診斷，無需遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)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(jié)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(zhì)的五分之一摩爾濃度。

圖 2.像這樣基于 PIC 的芯片實(shí)驗(yàn)室生物傳感器可以為醫(yī)療診斷提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。（圖片來源：Aventier)

用于這些應(yīng)用的集成光學(xué)傳感器通常使用氮化硅 （SiN） 制造。SiN波導(dǎo)在可見光到近紅外范圍內(nèi)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(gè)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(shè)計(jì)在傳感器上有一層涂層，當(dāng)它遇到目標(biāo)分子時(shí)，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(dǎo)連接到芯片實(shí)驗(yàn)室的其余部分（圖 2）。

其他光子學(xué)平臺

PIC 是一種多功能技術(shù)，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(shí)現(xiàn)平面光波導(dǎo)等功能。

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

鈮酸鋰 （LiNbO3） 可用于制造低損耗調(diào)制器。其低光學(xué)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(shù)正在開發(fā)中，用于未來的 PIC 設(shè)計(jì)。

通過使用異構(gòu)或混合集成混合 PIC 技術(shù)，可以同時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)成本和性能。例如，已經(jīng)為軍事系統(tǒng)開發(fā)了一種可調(diào)諧激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)將低損耗 SiN PIC 與高性能有源增益磷化銦 （InP） PIC 相結(jié)合（圖 3）。

總結(jié)

PIC 正在被用于越來越多的邊緣應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)處理和傳感器集成。它們可以降低能耗并增強(qiáng)處理能力，并且可以在單芯片上實(shí)現(xiàn)，也可以通過融合多種半導(dǎo)體和傳感器技術(shù)的異構(gòu)集成來實(shí)現(xiàn)。