边缘光子集成电路有哪些应用？

光子集成电路（PIC）可以实现高速数据传输、低功耗和紧凑的尺寸，使其适合集成到边缘设备中。它们越来越多地用于边缘人工智能和传感器应用的信号处理。

硅光子学是一项广泛的技术。它基于CMOS处理、异构集成和先进的光学功能。绝缘体上硅 （SOI） 是一个关键的推动因素。PIC 的一些关键要素包括（图 1）：

• 光波导可以用硅或氮化硅制成，并实现高效的片上光连接。

• 光环谐振器作为基本构建块，可以与滤光片、调制器、多路复用器和频率梳发生器集成。还有更专业的设计，例如用于激光和干涉仪的法布里-佩罗谐振器，以及耳语画廊模式谐振器，它们最适合传感和非线性光学功能。

• 调制器用于管理光子学特性，例如相位、偏振和强度，以优化 PIC 性能。

• 光电探测器提供 PIC 的光学和电气部分与外部之间的连接。

• 光耦合元件用于组合、分割或重新分配光信号。光栅耦合器和边缘耦合器因其独特的优点而最为常见。光栅耦合器与 CMOS 处理兼容，而边缘耦合器需要额外的后端处理步骤，例如切割和抛光，但可以提供与外部激光器和电子设备的连接。

边缘人工智能中的 PIC

PIC 可以支持自动驾驶汽车和机器人中的激光雷达等应用的更低延迟，从而实现更安全的导航。PIC 比传统 IC 消耗的能耗要低得多，这是能量受限的边缘设备中的一个重要考虑因素。

由于在边缘设备上处理数据减少了对云连接的需求和相关的能源需求，因此可以进一步节省能源。消除或最大限度地减少对无线连接的需求也使边缘设备更具弹性。

先进传感器中的 PIC

PIC 可用于边缘应用的高灵敏度和紧凑型传感器。PIC与边缘AI相结合，可以直接在传感器芯片上实现实时物体和面部识别，以及其他复杂的图像处理功能。

PIC 传感器被用于环境监测器，可以检测污染物并测量空气或水质。它们还用于食品加工中测量成熟度和营养成分等参数。

PIC 芯片实验室

PIC 传感器可以对现场的医疗和环境条件进行快速诊断，无需远程实验室。在许多情况下，它们还具有更高的灵敏度并提供卓越的结果。对于某些材料，可以使用 PIC 传感器可靠地检测 10-18 摩尔/升或溶解在一升溶液中的物质的五分之一摩尔浓度。

图 2.像这样基于 PIC 的芯片实验室生物传感器可以为医疗诊断提供实时数据。（图片来源：Aventier)

用于这些应用的集成光学传感器通常使用氮化硅 （SiN） 制造。SiN波导在可见光到近红外范围内具有良好的灵敏度，并且可以用较小的弯曲半径制造。这使得一个很长的传感器可以“卷起”，在PIC表面上占用的空间非常小。较长的传感器具有更高的灵敏度。

一些设计在传感器上有一层涂层，当它遇到目标分子时，它会改变其折射率。使用光子换能器检测折射率的变化，并使用光波导连接到芯片实验室的其余部分（图 2）。

其他光子学平台

PIC 是一种多功能技术，可以使用 Si 和 SiN 以外的材料制造。许多 PIC 都采用二氧化硅 （SiO2） 来实现平面光波导等功能。

图 3.该可调谐激光器系统采用混合集成，将低损耗 SiN PIC 与高性能有源增益 InP PIC 相结合。（图片：PhotonDelta)

铌酸锂 （LiNbO3） 可用于制造低损耗调制器。其低光学折射率和宽透明窗口使其非常适合匹配光纤输入和输出。绝缘体上的铌酸锂 （LNOI） 技术正在开发中，用于未来的 PIC 设计。

通过使用异构或混合集成混合 PIC 技术，可以同时优化系统成本和性能。例如，已经为军事系统开发了一种可调谐激光系统，该系统将低损耗 SiN PIC 与高性能有源增益磷化铟 （InP） PIC 相结合（图 3）。

总结

PIC 正在被用于越来越多的边缘应用，包括数据处理和传感器集成。它们可以降低能耗并增强处理能力，并且可以在单芯片上实现，也可以通过融合多种半导体和传感器技术的异构集成来实现。