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目前集成光子学技术最大的量产方向是光通信方向，光通信方向工作波段为1260-1650波段，而集成光子学作为传统光学的一个代替，其所能实现的能量，也绝不仅仅只有光通信波段，从整个光谱来看，在可见光和近红外波段集成光子学，亦也有巨大的市场空间，比如光谱仪，生物传感，量子技术等，本文小编将会和大家分享可见光和近红外硅光子技术的几个应用领域

他们包括：

a.波长复用器和解复用器 （可见光波段光波导,ar方向）             b. 光束扫描仪(lidar方向)

c.波长可调谐和窄线宽激光器        d. 量子技术

e. 非线性频率生成                      f 生物传感器（生物检测）

g.显微镜                                   

h. 脑机接口植入式神经探头（hot!!,光遗传学+脑机接口+神经电极）

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简介：

量子信息、显微镜、生物传感、深度传感和增强现实等新兴应用需要可见光 (VIS) 和增强现实中的小型化组件波长在 380 至 1100 nm 之间的近红外 (NIR) 光谱。铸造厂硅光子学已针对电信波长进行了优化，可以适应这个波长范围。在这篇文章中，我们回顾了最近的进展用于可见光和近红外波长的硅光子学，重点关注平台、设备、和在铸造厂制造的光子电路。铸造厂能够创造复杂的晶圆级电路。基于氮化硅和氧化铝波导的平台，与互补金属氧化物半导体 (CMOS) 代工厂兼容正在变得可用。因此，高性能光子电路正在成为可能的。主要挑战是低损耗波导、高效输入/输出耦合、敏感探测器以及激光器和调制器的异构集成，特别是使用铌酸锂和其他电光材料的。这些要素，已经为电信开发，需要进一步开发 λ < 1100 nm。作为短波长硅光子技术进步、光子集成电路可以满足 O 和 C 频段通信之外更广泛的应用范围。

硅光子学是在硅基上实现光子元件和电路的技术使用成熟微电子行业中的材料和制造工艺流程的硅衬底。在过去的15-20年里，硅光子学扩大了应用范围通过实现高密度集成和大规模光子集成电路（PIC）使用深紫外 (DUV) 光刻技术在 200 台晶圆上实现大型晶圆的可制造性毫米或 300 毫米硅基板。对最成熟的技术形式进行了优化用于在 1310 和 1550 nm 附近的电信波段运行在绝缘体上硅 (SOI) 晶圆的顶部硅器件层中定义了波导[1-3]。它正在实现高能效收发器和大规模 PIC，从而解决数据通信 [1,4]、三维 (3D) 传感 [5] 和计算加速器 [6,7] 的需求。然而，光的许多应用，例如量子信息处理、生物传感和显微镜以及扫描显示器，使用更短的可见光 (VIS) 和近红外 (NIR) 光谱中的波长。这些 VIS 和近红外应用在很大程度上仍然依赖于体光学系统，尽管它们可以随着复杂性的增加，它们将受益于小型化和集成化。硅光子学可以解决这些较短波长的挑战和应用。尽管硅吸收的波长短于 1100 nm，但硅光子学的主要优势不仅仅在于在硅中引导光；相反，硅光子学利用了微电子学大规模制造和集成光子元件的处理。因此，通过使用作为波导的另一种在波长 <1100 nm 下透明的兼容材料，硅光子学可以扩展以实现在 VIS 和 NIR 中工作的 PIC频谱区域。事实上，近年来，人们对硅的兴趣和技术较短波长的光子学一直在发展。本文回顾了硅光子学在 VIS 光谱方面的努力，以及使用该技术的设备和光子电路的进展。NIR 示例将相关时纳入。为了清楚起见，在本次审查中，VIS 光谱指的是波长范围介于~ 380 至 700 nm 之间，NIR 指的是该波长范围约 700 至 1.1 µm 之间，仍可被 Si 传感器吸收。特别是，我们重点关注代工厂在大型（200 或 300 毫米）晶圆上制造的平台。尽管铸造制造对材料选择、尺寸和器件设计，它提供了大规模实现复杂电路的途径，无论是在就集成到每个电路中的器件的尺寸和数量以及生产的芯片数量。这可以在单个芯片中实现复杂的功能，对于原子钟、可扩展量子计算机等应用至关重要生物传感器。由于波长较短，实现 VIS 的关键挑战光谱硅光子学包括低损耗波导、低损耗和宽带输入/输出耦合，一个相对较大的制造限制特征相对于波长的尺寸，以及活性功能的集成，例如激光器、调制器和探测器。本次审查的组织如下：第 2 部分审查了 VIS-PICS 常用的波导材料和铸造制造平台；第 3 节规定了最先进的单片集成器件概述；第 4 节讨论VIS-PIC异构集成的进展；第 5 节描述示例PIC 的应用；第 6 节讨论该技术的前景。

5.1. 波长复用器和解复用器

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波长复用器 (MUX) 和解复用器 (DEMUX) 是组合或分离不同颜色光的无源光子电路。波长复用器用于显微镜（即荧光和共焦）和激光束扫描显示器。对于分立光学器件，此类设备是激光器、透镜和二向色镜的组件。波长解复用器用作材料样品分析的光谱仪。[134] 中报道了超宽带 SiN PIC 光谱仪的示例。这PIC 采用 LioniX 波导技术制造，该技术具有低传播特性损耗并且在很宽的波长范围内是透明的。光谱仪是作为阵列波导光栅 (AWG) 实现，它将传入的光分开波长谱进入多个输出波导。三种不同的 AWG 滤波器设计覆盖 400–700 nm、700–1000 nm 和 1000–1700 nm波长带。每个设计都使用具有 50 个波长的级联 AWG 架构输出通道。输入首先用于将入射光分成五个粗略的光然后将每个波段分为 10 个波段。这个频道在 λ = 400–1000 nm 范围内，间距为 6 nm，在 λ = 400–1000 nm 范围内，间距为 14 nmλ = 1000–1700 nm。对于多路复用器、用于显微镜和红绿蓝的多波长光引擎用于激光扫描显示器的 (RGB) 光束组合器也已在LioniX 平台 [38,55,135]。图 10 显示了启用 PIC 的多波长光引擎由激光源组成，耦合到带有可变光衰减器的 PIC(VOA) 和覆盖整个 VIS 光谱的四个波长的波长复用器[38]。VOA 是使用热光调谐 MZI 实现的，并且定向耦合器用作波长组合器。沿着类似的路线，Frentrop 等人。[135]报道了一种采用倒装芯片组装工艺的 RGB PIC 光束组合器集成 RGB 激光二极管和功率监控探测器。通过焊接通过将激光器放置在蚀刻凹槽中，优化了激光器与 PIC 之间的耦合。RGB合束器可用于简化封装和集成用于增强现实的基于镜面的微型投影仪中的激光器眼镜。

(a) PIC 显微镜用多波长光引擎示意图指出的功能。(b) 模块示意图和 (c) 照片。转载经 [38] © 光学协会许可

5.2. 光束扫描仪

VIS-PIC 的多次演示展示了动态光束整形和扫描，这些功能适用于自由空间等领域通信[136–140]、光探测和测距（LiDAR）[141,142]、增强和虚拟现实显示[103,143,144]、3D打印[145]、神经科学[146-148]和量子信息处理[149-151]。与采用分立机械元件实现的传统光束转向系统相比，PIC光束扫描仪可实现更快的光操纵方法并最小化系统尺寸，功耗和组装成本[5,152]。

5.2a. 光学相控阵

广泛研究的 PIC 光束扫描架构的一个例子是光学相控阵（OPA）[5]。OPA 是相干光发射器阵列，可运行基于从每个发射器耦合出的光的干涉。OPA 可以创建通过控制幅度/相位来实现没有移动部件的复杂远场模式从每个发射器耦合出来的光的数量。因此，集成 OPA 运行在可见光波长是生成虚拟全息图像的有希望的候选者下一代增强现实头戴式显示器[153-155]。图 11 显示了 1D 集成 OPA 器件的一般结构 [156,157]。光来自外部激光器的信号通过光栅或边缘耦合器 (i) 耦合到 PIC 中。A

(a) OPA 的总体结构；(i)–(iv) 已在正文中描述。(b)–(d) SEM 图像用于宽带 VIS 操作的波导表面光栅发射器 (520–980纳米）。(e) VIS 1D 端射 OPA，具有非周期性发射极间距，以防止高阶排放。经 [156,157] © 光学协会许可改编。

多模干涉仪 (MMI) 树或星形耦合器用于划分输入光分成多个通道 (ii)，每个通道都有一个独立的幅度/相位调谐器 (iii)，以及单个光学发射器（iv），例如端射波导或波导表面光栅。在 VIS 波长处，OPA 电路中的相移先前已实现具有无源波导延迟线[148,154,155,158]，TO移相器[156,157]，和LC移相器总线[159]。当 OPA 上设计线性相位梯度时，来自每个发射器的光相长干涉以在远场中以一定角度形成光束。一罐导出该特殊情况下的远场方向图作为 θ 和 ψ 的函数，它们是分别相对于笛卡尔 y–z 和 x–z 平面的角度：sin(θ) = x/z且 sin(ψ) = y/z [160]。对于具有 N 个均匀发射器的 1D OPA，远场方向图为很好地近似为

其中 d 是发射器之间的间距，S(θ, ψ) 是单个发射器的远场发射发射极，Δψ 是相邻发射极之间的相对相位差。由此方程，得出单梁可以成形并转向 180°ψ 中通过改变Δψ 当发射器之间的间距小于波长的一半时。对于较大的间距，相长干涉发生在多个角度，并且高阶波瓣是产生，限制转向范围。此外，光束宽度变得更窄随着光发射器数量的增加，N。由于制造限制和波导间串扰，实现用于广角可见光光束控制的集成 OPA 具有挑战性，这限制了满足

单波瓣发射所需的半波长节距标准[137,148,161]。克服多个光束存在的一种方法是使用稀疏非均匀发射器之间的间距以重定向高阶栅瓣承载的功率。通过这种方法，Shin 等人。设计了一个64通道相控阵来演示在 50° 视场内以 λ = 488 nm 进行光束转向，半高宽光束尺寸为0.17°[157]。非均匀阵列的优点是只需要几个发射器创建低发散光束。尽管如此，这种方法可能会受到穷人的限制由于背景噪声的增加，广角光束的信噪比重新分配栅瓣功率[162]。

为了实现 2D 光束控制，OPA 可以扩展为 2D 发射器阵列每个都有独立的相位调谐器[163]。然而，为了降低 PIC 复杂性，纵向 θ 转向的更简单方法是使用波长调谐与一维相位调谐结合[137,164]。波导表面中的每个齿光栅本身就是一个光发射器。衍射光的相对相位差相邻的光栅齿可以通过改变波长来调谐。相位差等于 βΛ，其中 β 是光栅中与波长相关的传播常数Λ 为光栅节距。Sun 等人使用 λ 调谐转向方法。证明了第一个用于 2D VIS 光束控制的 OPA [156]。OPA 可以在波长下工作从 520 到 980 nm，以实现 θ 方向 65° 的转向范围。一个外部超连续谱激光源通过可调谐滤波器耦合到 PIC 中，以提供整个 VIS 光谱的波长。横向波束转向，ψ，是使用一维热移相器阵列实现的，输入波长介于650 和 980 纳米。该 OPA 装置测得的 2D 转向范围为 44° × 13°。

5.2b。基于板光栅的相控阵

在[158]中，我们演示了波长接近 460 nm 的单瓣光束控制使用替代 OPA 架构：耦合到单个板的端射 OPA用于面外发射的光栅发射器。OPA 器件由星形耦合器组成将输入光分成 16 条波导延迟线。延迟线终止于扇入部分，形成端射相控阵，通道间隔 400 nm。端射 OPA 发射到自由传播区 (FPR) 平板波导中剪辑高阶光栅瓣。更高的光栅阶次以足够大的速度传播与板侧壁相交的角度，使得只有单个可操纵梁可以到达FPR板端部的光栅辐射到平面外。OPA设备能够在 16° 波长转向范围内发射无旁瓣光束调整。最近，我们还报道了采用改进的平板光栅设计的 OPA促进在 >3 倍更宽的转向范围（∼50°）上进行无旁瓣波束转向[165]。在我们新颖的 OPA 设计，端射 OPA 直接发射到一维平板光栅中。来自端射阵列的高阶发射以足够大的角度无法传播在平板光栅中用于面外发射。图 12(b) 显示了该 OPA 设计在不同输入波长下测得的自上而下的光束强度分布浸入荧光素溶液中；验证单个可操纵光束是否已发射大部分转向范围。两种基于平板光栅的 OPA 设计都集成在用于靶向光遗传学的植入式神经探针（参见第 5.8 节）。

5.2c。MEMS L 形悬臂梁

尽管最近取得了进展，VIS 频谱 OPA 仍面临许多突出的挑战，例如由于缺乏紧凑型波长可调谐激光器和高效移相器[156,159]。

基于平板光栅的 OPA。(a) 平板光栅发射器能够发射单个来自一维端射 OPA 的可操纵光束。在 OPA I 中，传播更高的光栅阶次以足够大的角度与 FPR 板侧壁相交，这样只有一个光束可以辐射出平面[158]。在 OPA II 中，高阶发射来自端射阵列无法在平板光栅中传播[165]。(b) 自上而下测量OPA II 在荧光素溶液中不同波长的强度光束分布；验证 OPA 的单波瓣发射。

此外，某些 VIS 应用需要特定的波长，例如显示器以及原子钟、量子计算的原子跃迁的激发传感。对于这些应用，将输入波长扫描到 OPA 以获得 2D 光束可能无法进行扫描。为了应对这些挑战，我们展示了集成微悬臂梁，可以实现紧凑、与波长无关的光束扫描一维和二维[48]。微悬臂梁嵌入了氮化硅波导并通过电热方式驱动（参见第 3.4 节）。它们是在 PIC 中实现的平台（图2），因此它们可以与其他光子组件集成，例如将移相器/开关、PD 和激光器集成在一个芯片中。为了实现二维光束扫描，我们实现了如图所示的L形微悬臂梁在图5(b)中[48]。MEMS 光束扫描仪的主要优点是结构紧凑与 OPA 相比，尺寸小、功耗低且简单，需要控制大量移相器。二维光束扫描仪具有芯片足迹尺寸仅为 0.14 mm × 1.1 mm，每轴消耗的功率 <23 mW转向角范围 Δθ = 24°且 Δφ = 12.2°。非共振扫描有沿 θ 轴和 φ 轴的上升/下降时间分别为 4.3 和 4.7 ms。然而，

在 6.9 和 14.3 kHz 的谐振频率下实现了更快的波束控制

两个轴。其中一台设备也在低温条件下进行了评估。在

温度低至 10 K 时，悬臂梁的初始挠度比

室温下，这导致更大的挠度范围。该设备还做到了

在共振频率下经过约 700 万次循环后未表现出退化

16.76kHz。表 4 展示了 VIS-PIC 光束扫描仪的比较，显示了

微悬臂梁功耗低，支持在较宽的波长范围内运行。

5.3. 波长可调谐和窄线宽激光器

可见光和近红外异质集成激光器的主要应用是以紧凑的外形尺寸实现窄线宽和波长调谐[122-125]。原子和分子物理实验通常需要与所研究的跃迁相匹配的窄线宽激光波长。目前，台式外腔激光器系统是这些实验的主力。光子学集成可以实现小型化和系统简化，特别是当需要大量的波长。在迄今为止展示的异质集成激光器中[122–125,166]，增益区域耦合到 PIC，其中包含用于光学反馈的外腔和波长调谐（图9）。这些情况下的 PIC 使用 SiN 波导，并且使用微环谐振器 (MRR) 选择和调谐发射波长。[122]和[124]中的激光器具有相似的性能。在这两部作品中，增益芯片与终止于 PIC 边缘的波导对齐。在[124]中，波长以 λ = 684.4 nm 为中心实现了约 10.8 nm 的调谐范围。侧面模式抑制比（SMSR）高于39 dB。拟合的洛伦兹线宽为约2.3±0.2kHz，直接测量线宽为56.3±0.4kHz。这光纤耦合输出功率为 4.8 mW，泵浦电流为 90 mA。在[122]中，激光证明了中心波长为 404、455、488、520、660 和 785 nm。波长调谐范围从 1.6 到 12.5 nm。测量的线宽范围约为360 kHz 至 3.3 MHz，提取的洛伦兹线宽约为 10 至 25 kHz。光纤耦合输出功率范围为0.02至10 mW。在[123]中，使用了PIC作为反射器来创建线宽约为 1.15 MHz 的自注入锁定激光器在 λ = 405 nm 处。最近，使用超高Q谐振器、自注入锁定激光器具有创纪录的低 640 mHz 基频和 732 Hz 集成线宽报道[166]。[125] 中仅报道了在 λ = 975 nm 附近工作的近红外激光器。因为制造过程中，增益部分可以同时具有波导耦合输入和输出，芯片上还集成了用于电源监控的PD。波长调谐范围约为 20 nm，最小洛伦兹线宽为 2.8 kHz。

5.4. 量子技术

由于量子信息处理的它为通信、计算和模拟领域带来了范式改变的进步。在量子计算中，叠加运算

量子位（qubits）的状态可以潜在地解决优化问题，

原子和分子的模拟以及难以处理的信息安全

经典计算机。VIS-PIC 对于量子信息处理非常有用，因为

原子和离子的控制通常需要跨越可见光光谱的光。

5.4a. 俘获离子量子控制

一种领先的量子计算候选者使用捕获离子作为量子位，其中离子的量子化运动通过库仑耦合进行纠缠[167]。俘获离子量子位具有长相干时间和高相干时间与门时间比率[167]，这使得在量子态退化之前能够进行更多的量子位操作。他们还可以实现非常高的门保真度，这可以减少纠错的开销。为了设置量子位，中性前体在加载到量子位之前首先被电离。离子阱。随后的状态准备和捕获离子的操作产生所需的计算，并通过量子位的测量读出结果状态。对于某些种类的捕获离子，例如 40Ca+和88Sr+, 电离态准备和操作以及读出是用波长范围进行的从近红外到紫外[167]。这些离子种类的全光学操作，结合离子的平坦化捕获到光刻图案化的电极上，促进了 PIC 的开发用于离子阱。这种方法消除了分立元件之间的对准误差在自由空间光学设置中，并提供了一条可扩展至大量的路径陷阱[168,169]。在离子阱 PIC 中，操作所需的 VIS/UV 波长离子被耦合到芯片中，并由光栅耦合器发射，光栅耦合器将光聚焦在悬浮在芯片表面上方的离子被平面电极捕获[44,170,171]。梅塔等人。[60] 展示了两个 40Ca+ 的 729 nm 光的相干控制离子使用具有表面电极离子的双层 LPCVD SiN 光子学平台的量子位门陷阱。该平台的横截面如图13（a）所示。这个平台包括用于边缘耦合到单模光纤的 SiN 薄层（25 nm）和较厚的 SiN 层用于光栅的SiN层。使用铂作为接地层来隔离硅基板陷阱电极由芯片表面的金层形成。地平面和金陷阱电极刻有孔以允许发射光从 SiN 光栅耦合器到达离子。在这次演示中，一个纠结的生成的贝尔态保真度为 99.3%。使用 PIC 的相干时间与自由空间配置相比更长，这归因于消除离子阱和光学控制之间的差异振动由于将离子阱和光传输集成到单个芯片中而产生信号。以类似的方式，尼芬格等人。[44]报道了光离子化，状态制备，和 88Sr+ 的量子位读出在定制 LPCVD 上具有六种不同波长的离子带有表面电极离子阱的 SiN 平台。使用的六个波长被分配到四个不同的光路（405/422 nm、461 nm、674 nm 和 1033/1092 nm）。通过集成光学器件和自由空间光束组合提供的 405 nm 和 461 nm 光演示了光电离和加载。量子位读出用 422 nm 和 1092 nm 泵浦在片外通过高 NA 光学器件和光电倍增管，在 5 的测量时间内实现了 99% 的保真度多发性硬化症。离子阱 PIC 开发中反复出现的挑战是缺乏足够的低损耗波导。Al2O3 和低约束 SiN 波导正在研发中用于蓝色和紫外线波长范围内的超低损耗波导（请参见第2）。另一个挑战是现有离子阱 PIC 中缺乏有源元件示威活动。通过片外执行调制和切换，光纤到芯片的接口必然随着离子数量的增加而增加

(a) 来自[60]的俘获离子光子平台的横截面，具有表面层用于离子捕获、用于电隔离的埋 Pt 层和双 LPCVD SiN用于光控制信号的路由和发射的层。转载自[60]经施普林格自然许可。(b) 被困平台的横截面离子计算与离子阱电极、光子光的完全单片集成调制和传输、APD 荧光检测和控制电子层。© 2023 IEEE。经 Sorace-Agaskar 等人许可转载，2023 IEEE光子学协会夏季专题会议系列（SUM）[172]。

已解决。集成到芯片上的有源器件将消除这种限制，但是由于对有源器件性能的高要求，集成仍然具有挑战性。捕获离子量子位的相干性对相位噪声高度敏感光控制信号[171]。图 13(b) 显示了带有 SiN 和Al2O3 波导分别路由红光/近红外光和蓝光[172]。这平台还集成了用于放大和调制的有源器件，以及用于监测和离子读数的探测器[172,173]。

5.4b. 原子控制

量子位的另一个竞争候选者是冷原子，例如锶、铯、或铷，或固态人造原子，例如钻石的色心[174,175]。这些原子和类原子发射器使用 VIS 和 NIR 波长（大约 780 nm对于铷和选定的钻石色心，对于锶为 689 和 698 nm）。光束用于创建磁光陷阱 (MOT) 来冷却、保持和泵浦原子。这些光束传输系统可以小型化至芯片级尺寸与 PIC。对于铷、SiN PIC，工作波长为 λ = 780 nm，具有模式转换功能将多个交叉准直光束发射到原子蒸气中的光栅具有已经被证明，并且 3D MOT 已经实现 [176,177]。对于锶，罗普等人。[178] 报道了一种 PIC，它产生 12 束光束，在 λ = 461, 689 处形成 MOTnm，作者还用探测光束创建了 λ = 813 nm 的光学晶格在 λ = 698 nm 处。对于时间控制，使用 SiN、LiNbO3 和 AlN 波导的可编程 PIC硅衬底已经实现[37,179–181]。原子控制 PIC 也可以使用 MZI来调制光。原子控制需要亚微秒调制速率脉冲雕刻的高消光比。为此，调制已被证明利用 EO 或压电效应 [179–182]，并且消光比超过 40dB 是使用两个串联的 MZI 实现的[179]。目前这些措施的局限性原子控制 PIC 具有高插入损耗（[179] 中超过 19 dB），必须通过更低的光纤到芯片耦合损耗和更低损耗的波导来克服。5.4c。光子量子位除了使用光来控制离子量子位之外，光子本身也很出色作为量子信息载体的候选者。选择光子的关键优势因为量子位来自于它们与环境的弱相互作用，这消除了需要严格的工作条件，例如毫开尔文工作温度或高真空[141]。量子 PIC 的要求可能会有所不同，具体取决于具体实现，但是非经典光源和单光子探测器是普遍必要的。非经典光源 纠缠光子可以通过以下方式在芯片上产生自发参数下变频[183,184]或自发四波混频[185]在各种Si-PIC平台上。然而，这些来源本质上是概率性的，限制了它们按需生成预示光子的能力，通常需要复用多个相同的源[186]。在另一手，单光子源，例如量子点或缺陷中心，充当人工原子可以作为单光子的按需来源[187]。然而，操作作为高度相干的按需源，需要低温工作温度。此外，与光子学的集成需要严格的对准公差才能实现高耦合效率[171,187]。尽管存在这些挑战，但已经出现了将量子点耦合到硅光子波导中的演示，该波导在近红外光中发射在低温下，实现了量子点与波导的耦合效率达74%[188]，并且高纯度单光子发射强度自相关g(2)(0)<0.1[189]。集成单光子探测器 高性能单光子探测器实现实用的量子信息处理器也是必要的[190]。为此，集成超导纳米线单光子探测器（SNSPD）有突出的表现。集成到 SiN 波导上的 SNSPD 能够高达 80% 的光子检测效率 (PDE) 和暗计数率毫赫兹范围[191]。然而，SNSPD 需要低温操作条件支持超导，这与光提供的核心优势相矛盾量子位。单光子雪崩二极管 (SPAD) 可以在或接近室温，尽管检测效率较低且暗度较高与 SNSPD 相比。在可见光波长下，硅是一种很有前途的材料，因为其高碰撞电离比[192]。SPAD 发生率正常在室温下，在标准 SOI 平台上，490nm 处的 PDE 为 25% [193]。最近展示了一种集成 SiN-on-Si 波导 SPAD [86]。这些演示展示了开发瞬息耦合的潜力，以类似的方式集成Si SPAD。