液晶技术和MEMS正在实现可重复编程的PIC，它将能够支持多种功能，并大大加快未来光子芯片的开发周期。
虽然电子学是进行快速计算的完美选择，但光子学是移动信息的理想选择。然而，后者的一个主要缺点是新的光子集成芯片的开发过程缓慢而昂贵，阻碍了它们的广泛使用。如果光子芯片可以针对不同的应用进行重新编程，这将大大降低开发成本，缩短上市时间，并提高其使用的可持续性。
各种方案根据其启用的相移效应的速度与相对幅度进行排名。不同的驱动机制可以在光子电路平台上实现移相。理想的移相器将提供低功耗、低光学损耗、短光学长度和小尺寸。较强的机制通常需要较小的面积或长度来包含相位移动。根特大学/IMEC提供。
为了运行，可重新编程的光子芯片将需要大量高效的电光执行器来切换、分割和过滤通过它们的光信号。通过引入微机电系统（MEMS）以及基于液晶的解决方案，研究人员现在正在为大规模和可重新配置的光子集成电路（PIC）开发低功率的构建模块。这种多功能的光子芯片有望加快在各种行业的应用，包括生物传感、医疗技术和信息处理。
创新的瓶颈
在过去的五十年里，我们见证了一场真正的电子革命。现在，电子技术正在为社会的许多基本活动提供动力。光子技术现在正加紧经历一个类似的繁荣期。新兴的PIC在为今天的通信网络和数据中心提供驱动力方面越来越重要。与此同时，这些组件的复杂性也在迅速增长。一个光子芯片现在拥有几万甚至几十万个构建模块。
然而，与电子芯片的世界相比，在那里可以购买现成的芯片并对其进行编程，以便在各种应用中执行各种功能，大多数PIC是特定的应用。定义芯片上的光路的电路是在设计阶段为某一特定功能的最佳性能而设置的，并按设计制造。这没有给我们留下任何重新编程的灵活性，几乎不可能将光子芯片重新用于不同的目的。相反，每一个新的应用都需要一个新的芯片设计。
一个可编程的光子电路。芯片上的光流是通过一个由可调谐耦合器和移相器组成的网状光闸控制的。通过在不同的功能构件之间路由光，并将其分布在不同的路径上，就有可能实现各种功能，包括波长过滤器。根特大学/IMEC提供。
光子芯片的设计、制造和测试周期是缓慢而昂贵的。芯片制造的结果几乎都要12个月才能知道。而且，由于光子学的生态系统还没有像电子学那样成熟，制造的芯片并不总是按预期工作，特别是在非常复杂的电路的第一次迭代中。
因此，根据目标和成功所需的芯片迭代数量，将一个想法发展成一个实际产品可能需要五到六年的时间。这种时间尺度对那些希望将光子芯片技术引入新应用领域的创新者构成了巨大的进入障碍。今天，PIC主要用于电信和数据通信环境。虽然PIC在传感、光谱学、激光雷达和量子信息处理方面有令人振奋的演示，但在这些不同的应用领域中，基于PIC的实际商业产品的数量仍然是个位数。
打破这一僵局并降低进入门槛的一个可能的解决方案是将可编程性引入光子电路。
我们可以再次看一下电子学的例子。多用途可编程电子器件，如现场可编程门阵列（FPGAs），一直是消费电子创新的重要推动力。光子学需要具有类似使用模式的芯片：购买一个通用的、现成的芯片，然后配置它来执行所需的光学功能。像这样的可编程光子芯片可以将一个新的光子产品的原型开发时间，从多年缩短到几个月甚至几周。这将大大提升光子芯片的使用和其应用的多样性。
液晶驱动器。波导旁边的一个硅轨作为电极，使间隙中的液晶重新定向。这为通过波导的光诱发了一个相移。使用喷墨打印技术将液晶局部沉积到片上的小空腔中（顶部）。为了表征移相器，它被嵌入一个不平衡的马赫-泽恩德干涉仪的一个臂中（底部）。根特大学/IMEC提供。
根特大学、IMEC和其他组织正在开展合作项目，以创建这种通用可编程光子芯片。与特定应用的芯片一样，这些芯片也有自己的一堆新挑战。
为了使芯片上的光路可配置，有必要加入数十万个光门，这些光门由可调谐的电子移相器控制。这些移相器可以在各种光路中引起微小的延迟，然后导致光波的建设性或破坏性干扰，并导致光信号改变其路径。因此，光门作为微观的开关，将两个输入和两个输出连接起来，并具有在0%至100%的范围内连续调整光的分裂的能力，同时还提供对光相位的控制。这样的全面控制是有代价的：这些基本构件需要有极好的性能，因为光线必须通过一长串的移相器。
MEMS和液晶
在光子芯片上实现光闸的传统方法是使用微加热器。这些是靠近波导的微小电加热器。加热波导会改变其光学特性，引起相移。尽管这些加热器非常小，但它们每个都要消耗许多毫瓦的功率，这使得扩展到非常大的电路变得困难。
一个MEMS光学移相器。硅（Si）波导的两侧是硅的薄轨。所有的元件都是悬浮的。轨道可以利用梳状驱动器中的静电力被拉离波导。当硅轨道离波导更远时，波导中的光在附近的硅会更少，传播更快，从而引起相移。KTH皇家技术学院和根特大学/imec提供。
2018年，欧盟资助的MORPHIC项目拉开帷幕，目的是利用先进的波导MEMS技术，来增强可编程硅光子电路。MEMS是小型机械执行器，大小为几微米，可以改变两个波导之间的距离。这些可移动的波导可以被静电驱动，只需在一个电容器上保持一个电压。没有静态的电力消耗来维持该设备的状态。MEMS移相器的光学效果非常强。物理上移动硅结构使该装置能够在光学环境中产生非常大的变化，使光能够感知到。
MORPHIC项目组展示了MEMS移相器和可调谐波导耦合器，其长度仅为60微米，功耗水平为纳瓦。尽管这不是MEMS执行器首次与光波导结合，但MORPHIC展示了MEMS在一个完整的硅光子学平台中的首次集成，而没有牺牲平台上其他关键部件的性能，如高速调制器和锗光电探测器。
这种整合并不那么简单。传统的硅光子波导被封装在二氧化硅和其他电介质的包层中，而可移动的波导元件必须是独立的，这意味着它们被悬挂在空气或真空中。由六个欧洲合作伙伴组成的MORPHIC项目团队，通过局部移除波导下的支撑层使其可移动，然后使用晶圆级密封方法保护独立的MEMS器件，从而解决了这个问题。因此，这些器件可以连接到更大的电路中，并使用高密度插接技术与定制设计的多通道驱动器和读出电子装置进行电气连接。从晶圆规模的加工一直到封装和编程，研究人员证明了这些波导MEMS执行器可以被用作硅光子学芯片上的高效光学调谐机制。这一成就需要多学科的努力，涉及半导体加工；电气、光学和机械设计能力；以及多种封装和装配工艺的开发，还有软件程序。
在采用MEMS方法的同时，研究人员还在探索液晶用于可编程光子芯片的潜力。液晶材料是双折射的，这意味着它们可以通过使用局部电场来改变其液晶分子的方向来改变其折射率。
在欧洲研究理事会的两项资助下，PhotonICSWARM和LIQUORICE项目的研究人员通过在液晶包层中局部嵌入波导，成功地在一个全功能硅光子芯片上集成了液晶。波导中的光记录了液晶分子的局部旋转，这可以用附近的电极来驱动。由此产生的50微米长的移相器使研究人员能够实现0.8-π的位移，仅由5V驱动，消耗的功率仅有微瓦。
在MORPHIC项目中开发的一个大规模的装配流程。该硅芯片可以暴露出多达3305个电气连接。这些与大型陶瓷中介层的尺寸相匹配，该中介层将这些众多的连接分解成与标准印刷电路板兼容的尺寸。中介层的图片由Tyndall国家研究所提供。芯片图像由根特大学/imec提供。
一个理想的移相器消耗的电能非常少，造成的光学损耗也很低，并且具有最小光学长度的面积。如果移相器能提供非常快的纳秒级响应时间，并能用CMOS兼容的电压进行控制，也会有帮助。满足所有这些要求是非常困难的，到目前为止，还没有这种理想移相器的演示。但是最近对液晶和MEMS器件的合作研究提供了两种有希望的候选技术，研究人员正在使用这些新的移相器来实现更大的可编程电路。
一个完整的技术栈
可编程光子学不仅仅是一个芯片上的光门网络。每一个执行器都必须与驱动电子装置相连，而驱动电子装置必须通过多层软件进行控制，使用从片上光电二极管收集的监测信号。而所有这些都必须使用光学、电学、热学和机械封装技术的组合来实现。为了实现可编程光子学的潜力，必须涵盖技术栈中的所有元素。
MORPHIC在2022年结束了它的目标，但该项目组在后续项目PHORMIC中开启了新的篇章。该团队引入了更多的合作伙伴，以帮助解决构建大规模可编程硅光子芯片的另一个关键方面：将转移印刷的光放大器和光源整合到同一芯片上。
放大器可以帮助克服大型电路中累积的光损耗，但它们也提供了在芯片本身上设计可编程光源的可能性。
这两个项目的总体目标是开发一个光子平台，在这个平台上，单个芯片可以用来展示各种光学功能，如调制或解调不同的光通信格式，读出光学传感器信号，或为光谱学应用提供波长过滤器。结合板载高速调制器和检测器，这种基于芯片的平台还可以实现微波功能，这对下一代6G无线通信网络将非常有价值。
使用同一芯片制作不同功能的原型的能力是PIC领域的一个潜在的游戏规则，因为它实现了在电子学发展中证明非常成功的那种快速开发模式。
总部位于西班牙瓦伦西亚的初创公司iPronics最近宣布，它已经将这种类型的第一个可操作的光子学处理器商业化，并受到了极大的欢迎。这一成就表明，光子产业正走在正确的道路上，使光子集成芯片领域得到更广泛的采用和创新。
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