从芯片到光网络：解密平面光波导技术（PLC）核心优势
从芯片到光网络：解密平面光波导技术（PLC）核心优势
平面光波导技术（Planar Lightwave Circuit, PLC）是一种基于平面波导结构的光学器件制造技术。它通过在平面基底上制作光波导，实现光信号的传输、分路、耦合、调制等功能。随着AI大火，算力需求越来越大，小体积多功能集成的光学器件是必然的趋势。其中平面光波导封装又是光子集成技术(Photonic Integrated Circuit, PIC)的重要组成之一。
PLC技术的特点
材料多样性
PLC技术可以使用多种材料，包括：
- 二氧化硅（SiO₂）：低损耗、高稳定性，常用于分路器和阵列波导光栅（AWG）。我们常用到的光纤，严格来说，也是一种小型圆柱光波导。
- 铌酸锂（LiNbO₃）：铌酸锂有大的透明窗口、低传输损耗、良好的电光/压电/非线性等物理性能以及优良的机械稳定性等，在实现波导传输损耗和片上电光调制功耗这两个指标方面，有其特有的优势。适用于高速调制器和光开关。
- III-V族半导体（如InP、GaAs）：适合有源器件（如激光器、探测器）的集成。
- 绝缘体上的硅（SOI/SIMOX）：适合高密度集成和CMOS工艺兼容。
- 氮氧化硅（SiON）：折射率可调，适合多功能集成。
- 高分子聚合物（Polymer）：聚合物材料可通过分子工程进行加工和剪裁，使其满足制备高性能光电子集成器件的要求，且材料种类繁多、加工工艺简单、价格低廉。
高集成度
PLC技术可以将多个光学功能集成到单一芯片上，实现器件的小型化和高性能化。通过自定义设计波导形状、尺寸，实现多个功能，如光从芯片到光纤的耦合、光功率分配、光波长分配、调制信号码型、光斑光场控制等。
不同波导结构实现不同器件功能结构示意图（图片来源网络）
低损耗
通过优化波导设计和材料选择，PLC器件可以实现极低的光信号传输损耗。如边缘耦合（端面耦合）的模斑转换器在1550nm可实现零点几db的耦合损耗。
波导与光纤耦合（图片来源网络）
可扩展性
PLC器件可以与其他有源器件（如激光器、探测器）或无源器件（如滤波器、耦合器）组合，形成复杂的光学系统。
基于PLC技术的典型器件或应用
分路器（Splitter）
用于将输入光信号分配到多个输出端口，或把多个通道光合并到一路。常见的有1×N或2×N分路器。材料为二氧化硅（SiO₂）。
可调光衰减器（Variable Optical Attenuator, VOA）
用于动态调节光信号的强度。多使用铌酸锂（LiNbO₃）或硅基材料，利用材料的一些特性改变光在其中传输的折射率、偏振、或相干情况，实现传输功率变化。
光开关（Optical Switch）
用于切换光信号的传输路径。材料多使用铌酸锂（LiNbO₃）或III-V族半导体。
光梳（Interleaver）
用于将多个波长信道分离或合并。目前比较主流的方式是使用微环结构，微环的直径，圈数以及环形波导与直波导的耦合程度均会影响最终频率的峰值大小，滤波间距等。
光频率梳效果图（图片来源网络）
阵列波导光栅（Array Waveguide Grating, AWG）
用于波长分复用和解复用。通常使用二氧化硅（SiO₂）或硅基材料，利用罗兰圆原理，在波导上刻蚀圆形结构，使不同波长的光进入不同的通道实现波分复用。
AWG结构示意图（图片来源网络）
光调制器
典型的调制器结构为MZI结构，这种结构简单（直波导），工艺简单容易控制。通过波导材料的电光、热光、磁光、偏振等效应，利用两条臂的干涉效果，实现想要的输出波形，进而实现编码。
MZI干涉调制结构（图片来源网络）
生物传感
PLC技术可以用于制作高灵敏度的光学传感器，用于检测生物分子、细胞或环境参数。例如，基于PLC的微流控芯片可以用于实时监测生物反应。
量子技术
PLC器件在量子通信和量子计算中也有潜在应用，例如用于量子光源和量子探测器的集成。因芯片尺寸极小，且器件结构多，常见的时域检测技术不能用在芯片级波导结构上（分辨率不够）。
PLC技术的发展趋势
- 异质集成：将不同材料（如硅、III-V族化合物、铌酸锂等）集成在同一芯片上，实现更复杂的功能。
- 智能化与可重构性：结合人工智能技术，实现PLC器件的智能化控制和动态重构。
- 低成本与大规模制造：通过标准化工艺和材料优化，降低PLC器件的制造成本，推动其在大规模市场中的应用。
总结
平面光波导技术（PLC）是光通信重要封装技术。它通过多样化的材料选择和高度集成的设计，实现了光信号的高效传输和处理。随着技术的不断进步，波导的应用市场将会越来越广。