從芯片到光網絡：平面光波導技術（PLC）的核心優勢與應用前景
平面光波導技術（Planar Lightwave Circuit, PLC）是一種基于平面波導結構的光學器件制造技術。它通過在平面基底上制作光波導，實現光信號的傳輸、分路、耦合、調制等功能。PLC技術的核心在于利用光波導的低損耗和高集成度特性，將多個光學功能集成到單一芯片上。
隨著AI的快速發展，算力需求日益增加，小體積、多功能集成的光學器件是必然的趨勢。其中，平面光波導封裝是光子集成技術(Photonic Integrated Circuit, PIC)的重要組成部分，廣泛應用于激光器、耦合器、調制器、波分復用器等光路器件，實現了光的發射、傳輸、復用、調制等各種功能。
PLC技術特點
1.材料多樣性
PLC技術可以使用多種材料，包括：
? 二氧化硅（SiO?）：低損耗、高穩定性，常用于分路器和陣列波導光柵（AWG）。我們常用到的光纖，嚴格來說，也是一種小型圓柱光波導。
? 鈮酸鋰（LiNbO?）：鈮酸鋰有大的透明窗口、低傳輸損耗、良好的電光/壓電/非線性等物理性能以及優良的機械穩定性等，在實現波導傳輸損耗和片上電光調制功耗這兩個指標方面，有其特有的優勢。適用于高速調制器和光開關。
? III-V族半導體（如InP、GaAs）：適合有源器件（如激光器、探測器）的集成。
絕緣體上的硅（SOI/SIMOX）：適合高密度集成和CMOS工藝兼容。
? 氮氧化硅（SiON）：折射率可調，適合多功能集成。
? 高分子聚合物（Polymer）：聚合物材料可通過分子工程進行加工和剪裁，使其滿足制備高性能光電子集成器件的要求，且材料種類繁多、加工工藝簡單、價格低廉。
2.高集成度
PLC技術可以將多個光學功能集成到單一芯片上，實現器件的小型化和高性能化。通過自定義設計波導形狀、尺寸，實現多個功能，如光從芯片到光纖的耦合、光功率分配、光波長分配、調制信號碼型、光斑光場控制等。
3.低損耗
通過優化波導設計和材料選擇，PLC器件可以實現極低的光信號傳輸損耗。如邊緣耦合（端面耦合）的模斑轉換器在1550 nm可實現零點幾db的耦合損耗。
4.可拓展性
PLC器件可以與其他有源器件（如激光器、探測器）或無源器件（如濾波器、耦合器）組合，形成復雜的光學系統。
基于PLC技術的典型器件或應用
1.分路器（Splitter）
用于將輸入光信號分配到多個輸出端口，或把多個通道光合并到一路。常見的有1×N或2×N分路器。材料為二氧化硅（SiO?）。
2.可調光衰減器（Variable Optical Attenuator, VOA）
用于動態調節光信號的強度。多使用鈮酸鋰（LiNbO?）或硅基材料，利用材料的一些特性改變光在其中傳輸的折射率、偏振、或相干情況，實現傳輸功率變化。
3.光開關（Optical Switch）
用于切換光信號的傳輸路徑。材料多使用鈮酸鋰（LiNbO?）或III-V族半導體。
4.光梳（Interleaver）
用于將多個波長信道分離或合并。目前比較主流的方式是使用微環結構，微環的直徑，圈數以及環形波導與直波導的耦合程度均會影響最終頻率的峰值大小，濾波間距等。
5.陣列波導光柵（Array Waveguide Grating, AWG）
用于波長分復用和解復用。通常使用二氧化硅（SiO?）或硅基材料，利用羅蘭圓原理，在波導上刻蝕圓形結構，使不同波長的光進入不同的通道實現波分復用。
6.光調制器
典型的調制器結構為MZI結構，這種結構簡單（直波導），工藝簡單容易控制。通過波導材料的電光、熱光、磁光、偏振等效應，利用兩條臂的干涉效果，實現想要的輸出波形，進而實現編碼。
7.生物傳感
PLC技術可以用于制作高靈敏度的光學傳感器，用于檢測生物分子、細胞或環境參數。例如，基于PLC的微流控芯片可以用于實時監測生物反應。
8.量子技術
PLC器件在量子通信和量子計算中也有潛在應用，例如用于量子光源和量子探測器的集成。因芯片尺寸極小，且器件結構多，常見的時域檢測技術不能用在芯片級波導結構上（分辨率不夠），國產自研的OFDR設備OCI對某量子芯片的檢測結果如下：
PLC技術的發展趨勢
1.異質集成
將不同材料（如硅、III-V族化合物、鈮酸鋰等）集成在同一芯片上，實現更復雜的功能。
2.智能化與可重構性
結合人工智能技術，實現PLC器件的智能化控制和動態重構。
3.低成本與大規模制造
通過標準化工藝和材料優化，降低PLC器件的制造成本，推動其在大規模市場中的應用。
PLC技術的高精度檢測設備
的白光相干檢測儀OLI（又稱光纖微裂紋檢測儀）與光頻域反射檢測儀OCI，可實現百微米級別的距離精度及低于-100 dB的信號探測靈敏度，極大豐富了客戶不同應用場景的檢測需求，助力客戶產線批量出貨檢測以及返回品失效檢測。
平面光波導技術（PLC）作為光通信重要封裝技術，通過多樣化的材料選擇和高度集成的設計，實現了光信號的高效傳輸和處理。隨著技術的不斷進步，PLC技術的應用市場將會越來越廣泛。
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