Оптична интегрална схема (ОИС) или фотонна интегрална схема е микрочип, съдържащ два или повече фотонни компонента, които образуват функционираща верига. Тази технология открива, генерира, пренася и обработва светлина. Фотонните интегрални схеми използват фотони (или частици светлина) за разлика от електроните, които се използват от електронните интегрални схеми. Основната разлика между двете е, че фотонната интегрална схема осигурява функции за информационни сигнали, доставени на оптични дължини на вълните, обикновено във видимия спектър или близкия инфрачервен (850 – 1650 nm).

Основното приложение на оптичните интегрални схеми е в областта на оптичните комуникации, въпреки че са възможни приложения и в други области като биомедицина и фотонни изчисления.

Материали и примери за ОИС Най-комерсиално използваният материал за фотонни интегрални схеми е индиевият фосфид (InP), който позволява интегрирането на различни оптично активни и пасивни функции на един чип. Първоначален пример за фотонна интегрална схема е прост двусекционен лазер с разпределен отражател на Браг (Distributed Bragg reflector – DBR лазер) или лазер с разпределена обратна връзка (ЛРОВ). Той се състои от две независимо контролирани секции на устройството – секция за усилване и секция с DBR огледало. Следователно всички съвременни монолитни регулируеми лазери, широко регулируеми лазери, лазери с външна модулация и предаватели, интегрирани приемници и др. са примери за фотонни интегрални схеми. От 2012 г. устройствата са интегрирали стотици функции в един чип. Новаторска работа в тази област е извършена в Лабораториите Белл (Bell Laboratories). Най-известните академични центрове за развитие и иновации в областта на фотонните интегрални схеми от InP са Калифорнийският университет в Санта Барбара, САЩ, Технологичният университет в Айндховен и Университетът в Твенте, Нидерландия.

Разработка от 2005 г. показа, че силицият, въпреки че е материал с непряка забранена зона, все още може да се използва за генериране на лазерна светлина, използвайки нелинейността на комбинационното разсейване на светлината (Раманова нелинейност). Такива лазери не са електрически, а оптично възбуждани и следователно все още има нужда от допълнителен лазерен източник с оптично напомпване.

Вълноводни решетки (AWG), които обикновено се използват като оптични (де)мултиплексори във влакнесто-оптични комуникационни системи с разделяне по дължина на вълната (WDM), са пример за фотонна интегрална схема, която е заменила предишни схеми за мултиплексиране, които използват много дискретни филтърни елементи. Тъй като оптичното разделяне на режима е необходимост за квантовите изчисления, тази технология може да бъде полезна за миниатюризацията на квантовите компютри (вижте Линейно оптично квантово изчисление).

Друг пример за фотонен интегриран чип, широко използван в оптичните комуникационни системи днес, е външно модулираният лазер (EML), който съчетава лазерен диод с разпределена обратна връзка и електроабсорбционен модулатор на единичен чип, базиран на InP.

ЕЗВ-матрица (CCD) ДМОП-матрица (CMOS) Жива МОП-матрица (Live-MOS) Супер ЕЗВ-матрица (Super CCD) Матрици с мозаечни филтри Матрици с пълноцветни пиксели Многослойни матрици (Foveon X3) Пълноцветна RGB-матрица на Никон

Видове ОИС Монолитни ОИС Устройства, в които всички компоненти са направени чрез въвеждане на примеси или структуриране на материала на субстрата, се наричат ​​монолитни ОИС. Като материали за подложки в монолитни ОИС обикновено се използват GaAs или InP, които се наричат ​​AIIIBV съединения, тъй като се състоят от елементи, разположени в колони III и V на периодичната таблица. Устройствата, направени върху подложки от от ​​AIIIBV съединения, използват примеси, за да контролират забранената зона и, следователно, работната дължина на вълната на активните устройства – лазери и усилватели.

Немонолитни ОИС ОИС, които не са монолитни, се наричат ​​хибридни. Обикновено се изработват върху подложка от силиций, стъкло, литиев ниобат или по-рядко върху полимерен субстрат. Литиевият ниобат (LiNbO3) се използва като подложка поради високия си електрооптичен коефициент. Силицият е много перспективен материал за създаване на ОИС, тъй като позволява използването на технологии, които се разработват за електронни интегрални схеми и, може би най-важното, позволява комбинацията от фотонни и електронни интегрални схеми. Стъклото или плексигласът (полиметилметакрилат) са с ниска цена и широко достъпни. Лазери и оптични усилватели могат да бъдат произведени от редица стъкла, легирани с редкоземни елементи. Въпреки това, обикновено не е възможно да се произвеждат монолитни устройства от такива материали, тъй като някои функционални устройства (например полупроводникови лазери) са по-лесни за залепване, отколкото за интегриране в материала на подложката.

Предимства Оптичните интегрални схеми имат предимства както пред електронните интегрални схеми, така и пред обемните оптични схеми: широка честотна лента, голямо бързодействие, ниски загуби и консумация на енергия, малки размери, ниско тегло, по-ниска цена и нечувствителност към вибрации и електромагнитни смущения.

Вижте също Интегрална оптика Интегрална схема Оптоелектроника Оптоелектронни устройства

Източници и бележки Лари Колдрен, Скот Корзайн, Милан Машанович – Диодни лазери и фотонни интегрални схеми, Втори д.и.н., „Джон Уайли и синове“. ISBN 9781118148181, 2012. () Хайшен Ронг, Ричард Джонс, Аншенг Лю, Одед Коэн, Дани Хак, Александър Фанг, Марио Панича – A continuous-wave Raman silicon laser (Силициев раманов лазер с непрекъсната вълна). Природа. 433 (7027): 725–728. Пощенски индекс: 2005Natur.433..725R. DOI:10.1038/nature03346. PMID: 15716948. S2CID: 4429297, февруари 2005. () Майнт Смит е наречен лауреат на наградата „Джон Тиндал“ за 2022 година. Optica (по-рано OSA). 23 ноември 2021 г. Проверено на 20 септември 2022 г. Професор Тон Бекс е назначен за кавалер на ордена „Нидерландски Лъв“, Технологичен университет в Айндховен. Проверено 2022-08-19. A. A. Jørgensen, D. Kong, M. R. Henriksen, F. Klejs, Z. Ye, Ò. B. Helgason, H. E. Hansen, H. Hu, M. Yankov, S. Forchhammer, P. Andrekson, A. Larsson, M. Karlsson, J. Schröder, Y. Sasaki, K. Aikawa, J. W. Thomsen, T. Morioka, M. Galili, V. Torres-Company & L. K. Oxenløwe – Petabit-per-second data transmission using a chip-scale microcomb ring resonator source (Чипът може да предава целия интернет трафик всяка секунда). 20 октомври 2022 г. DOI: 10.1038/s41566-022-01082-z. S2CID 253055705. Проверено на 2 октомври 2023 г. () Нарасимха, Адитярам; Аналуи, Бехнам; Балматер, Eрвин; Кларк, Аарон; Гал, Томас; Гукенбергер, Дрю; и др. – A 40-Gb/s QSFP Optoelectronic Transceiver in a 0.13μm CMOS Silicon-on-Insulator Technology (Оптико-eлектронeн приемопредавател QSFP със скорост 40 Гбит/с по технологии CMOS със силиций на изолатор с дебелина 0,13 мкм). Материали на Конференция по оптовлакнеста връзка (OFC), 2008: OMK7. doi:10.1109/OFC.2008.4528356. ISBN 978-1-55752-856-8. S2CID: 43850036. () Ранк, Eлизабет А.; Сентоза, Райан; Харпер, Даниeл Дж.; Салас, Матиас; Гогуц, Анна; Сейрингер, Дана; Невлаксил, Стефан; Маезе-Ново, Алехандро; Eггелинг, Мориц; Мюллнер, Пол; Хайнбергер, Райнер; Сагмейстер, Мартин; Крафт, Йохен; Лейтгеб, Райнер А.; Дрекслер, Волфганг – Към оптична кохерентна томография върху чип: живи 3D изображения на човешката ретина с помощта на вълноводни решетки, базирани на фотонни интегрални схеми (Toward optical coherence tomography on a chip: in vivo three-dimensional human retinal imaging using photonic integrated circuit-based arrayed waveguide gratings). Лека наука, приложение 10 (6): 6, 5 януари 2021. Биб код: 2021LSA 10 6R. DOI: 10.1038/s41377-020-00450-0. ЧВК: 7785745. PMID: 33402664. () Рюдигер Пашота – Модулатори на електроабсорбция, Encyclopedia of Laser Physics and Technology. () PhotonDelta & AIM Photonics (2020). "Обзор IPSR-I 2020" (https://photonicsmanufacturin g.org/sites/default/files/documents/ipsr-i_2020_overview_0.pdf ) (PDF). IPSR-I: 8, 12, 14. Внутренний персонал телекома – Как фотонные чипы могут помочь в создании устойчивой цифровой инфраструктуры?. Внутри Телекома, 30 июля 2022 года. Проверено 20 сентября 2022 года. Авад, Эхаб (октябрь 2018). "Двунаправленное разделение мод и повторное объединение для преобразования мод в плоских волноводах" (https://doi.org/10.1109%2FACCESS.2018.2873278 ). IEEE Access. 6 (1): 55937. doi:10.1109/ACCESS.2018.2873278 (https://doi.org/10.1109%2 FACCESS.2018.2873278). S2CID 53043619 (https://api.semanticscholar.org/CorpusID:530 43619). Вердеккья, Р., Лаго, П., и де Фриз, С. (2021). Технологический ландшафт LEAP: решения программы ускорения использования более низких энергозатрат (LEAP), факторы внедрения, препятствия, открытые проблемы и сценарии. Вергирис, Панайотис (16 июня 2022 года). "Интегрированная фотоника для квантовых приложений" (https:// www.laserfocusworld.com/optics/article/14282714/integrated-photonics-for-quantum-applica связи). Мир лазерного фокуса. Проверено 20 сентября 2022 года. Боксмир, Едри – Geïntegreerde fotonica maakt de zorg toegankelijker en goedkoper. Произход на иновациите (1 април 2022 г.). Проверено на 20 септември 2022 г. () Ван Гервен, Пол (10 июня 2021). "Amazec использует технологию ASML для диагностики сердечной недостаточности" (https://bits-chips.nl/artikel/amazec-recycles-semiconductor-technology-to-diagnose -&#x20;сердечная недостаточность/). Биты и чипсы. Проверено 20 сентября 2022 года. Де Фриз, Кэрол (5 июля 2021). "Дорожная карта интегрированной фотоники для автомобилестроения" (https://www . photondelta.com/wp-content/uploads/2022/02/PD-Roadmap-Launch-Automotive_Handout-v 2_web.pdf) (PDF). Фотодельта. Проверено 20 сентября 2022 года. Technobis fotonica activiteiten op eigen benen als PhotonFirst, Журнал Link, 1 януари 2021 г. ().Проверено на 20 септември 2022 г. Моррисон, Оливер (28 марта 2022). "Да будет свет: Нидерланды исследуют фотонику для решения проблемы продовольственной безопасности" (https://www.foodnavigator.com/Article/2022/03/28/let-there-be-light-nether земли-зонды-фотоника-для-решения-продовольственной-безопасности). Пищевой навигатор. Проверено 20 сентября 2022 года. Хаккел, Кейли Д.; Петруззелла, Мауранджело; Оу, Фанг; ван Клинкен, Енн; Паляно, Франческо; Лю, Тянран; ван Велдховен, Рене П. Дж.; Фиоре, Андреа (2022-01-10) – Интегрирано спектрално сондиране в близкия инфрачервен диапазон. Природни комуникации. 13 (1): 103. Код на часа: 2022NatCo..13..103H. DOI: 8%2Fs41467-021-27662-1 10.1038/s41467-021-27662-1, ISSN 2041-1723. ЧВК: 8748443. PMID: (</nowiki> 35013200. Разгон искусственного интеллекта до скорости света. "Фотонные аналоговые устройства обработки сигналов на основе кремния с возможностью реконфигурации (Si- PhASER) - Федеральные возможности для бизнеса: Возможности" (https://web.archive.org/web/200 90506190924/https://www.fbo.gov/index?s=возможность&mode=форма&id=fd9392a50a171edc e2320a343a203285&tab=ядро&_cview=1). Fbo.gov . Заархивировано с оригинала (https://www . fbo.gov/index?s=opportunity&mode=form&id=fd9392a50a171edce2320a343a203285&tab = core&_cview=1) 6 мая 2009 года. Проверено 2013-12-21. "Центры комплексных инженерных исследований в области фотоники (CIPhER) - Федеральные возможности для бизнеса: Возможности" (https://web.archive.org/web/20090506100707/https://www.fbo . gov/index?s=возможность&mode=форма&id=9a3f9e7d9a5b20626be43d93bfacb2a6&tab=ядро &_cview=0). Fbo.gov . Заархивировано с оригинала (https://www.fbo.gov/index?s=opportunity & mode=form&id=9a3f9e7d9a5b20626be43d93bfacb2a6&tab=core&_cview=0) 6 мая 2009 года. Проверено 2013-12-21. "CEI-28G: прокладывает путь к 100 гигабитам" (https://web.archive.org/web/20101129014027/ht tp://www.oiforum.com/public/documents/OIF_CEI-28G_WP_Final.pdf) (PDF). Заархивировано с оригинала (http://www.oiforum.com/public/documents/OIF_CEI-28G_WP_Final.pdf ) (PDF) от 29 ноября 2010 года.

Литература