以成熟度來看，盡管光學整合技術(shù)大約較電子整合落后30年，但它仍是一種快速進展的技術(shù)。光學整合在2000年的網(wǎng)絡泡沫化時代歷經(jīng)最佳的發(fā)展，當時約有數(shù)百萬種用于光纖網(wǎng)絡的被動光學組件開始被整合于以硅制造的平面光波電路（PLC）中。

　　如今，有多種成熟的材料平臺可用于無晶圓廠（Fabless）的芯片開發(fā)，每一種都具有不同的卓越特性：PLC的優(yōu)點是低損耗和低成本被動電路；硅（Si）的優(yōu)點在于高密度和CMOS兼容性；磷化銦（InP）能夠在芯片上產(chǎn)生以及放大光路；而氮化硅（Si3N4）則具有低損耗和高密度的特性。

　　圖1：以氮化硅（Si3N4）制造的光子芯片，適合帶有金屬微型加熱器的感測應用

　　雖然磷化銦和硅平臺通常針對作業(yè)于C波段（約1550nm）和O波段（約1310nm）的光纖通訊波長范圍進行了優(yōu)化，但PLC和氮化硅則能作業(yè)于低至400nm的可見光波長范圍，目前有許多感測和生物醫(yī)學應用都作業(yè)于這一范圍。

　　在選擇了能夠滿足目標應用要求的材料平臺后，設計人員接著還必須選擇一家特定的代工廠，或是讓有經(jīng)驗的IC設計公司（如VLC Photonics）協(xié)助選擇。光子芯片設計的第一步是根據(jù)波導幾何形狀確定沿著電路傳導的光學模式。

　　圖2：整合于硅光子微芯片上的精巧型量子光學干擾儀

　　在這個階段通常會執(zhí)行全面的頻域分析，計算色散、群速、群指數(shù)、傳播損耗、有效折射率等光學參數(shù)，并考慮某些邊界條件（如周期性、對稱、非對稱與金屬特性等）。常用方法是有限差分（FD）、薄膜模式匹配（FMM）、有限元素法（FEM）、關聯(lián)法或高斯模式光纖解算器等，目前已有多種建置這些方法的商用軟件工具，如PhoeniX Software或Photon Design等。

　　下一步是這些光模型沿著組成電路的組件進行傳播。雖然可采用多種方法（BEP、特征模式擴張、傳遞矩陣、分離-階躍），但最常用的方法是光束傳播方法（BPM）和時域中的有限差分（FDTD）方法。

　　第一種方法用于緩慢變化的非均勻波導結(jié)構(gòu)（如錐體、彎管、耦合器）中的光線傳播，可以在近軸途徑下實現(xiàn)純量（scalar）或向量（vector）總場（而非模場）的單向或雙向傳播。

　　圖3：磷化銦平臺復雜的微波光子芯片布局

　　第二種FDTD方法是與時間相關的Maxwell等式在網(wǎng)格上的一種離散表現(xiàn)，透過將系統(tǒng)的時間變化響應進行傅利葉轉(zhuǎn)換為輸入，并在單次模擬中擷取到較寬帶寬的響應。這是一種真正全向性的方法，但具有運算密集的特性，通常要求高度優(yōu)化。

　　一旦這兩個步驟完成后，就可以在時域或頻域上進行完整的電路仿真。不僅能實現(xiàn)光子電路的功能性設計驗證，還能優(yōu)化組件及其聯(lián)機能力，以及評估容差與虛擬實驗。

　　同樣地，市場上有好幾種這方面的商用工具，如Filarete的ASPIC或VPIcomponentMaker，設計公司也能協(xié)助為模擬每個階段選擇最合適的工具，或是檢查所需要的建模和模擬工作。

　　圖4：不同的光波導幾何形狀

　　最后一步是在光子的計算機輔助設計（CAD）工具中布局電路，輸出具有分層信息的標準GDSII檔案。在此使用參數(shù)化芯片和光罩布局非常重要，因為這能避免任何可能影響連續(xù)性的人工繪制或布局錯誤，以簡化布線作業(yè)。大多數(shù)光學代工廠提供的制程設計套件（PDK）可用于其平臺上實現(xiàn)最常用的建構(gòu)模塊，如連接光纖端口的直線波導（帶和條）、彎管、多模干擾耦合器、光柵耦合器和邊緣耦合器，以及光電二極管、半導體光學放大器、調(diào)變器、加熱器和DBR或DFB激光器等主動組件。

　　這種PDK使用標準語言以及透過PDA標準流程的統(tǒng)一架構(gòu)，支持多家EDA供貨商工具之間的互操作性，其中的構(gòu)建模塊通常包括參數(shù)化組件布局，也稱之為pCell。

　　由于制造光子芯片需要大量的時間與資成本，設計公司也提供自家的設計庫，？補強其代工廠PDK，并協(xié)助設計驗證和規(guī)則檢查，這對于降低整個開發(fā)風險至關重要。

　　圖5：在光子磷化銦芯片上制造的完整的微型光束控制系統(tǒng)

　　總之，在整個設計過程結(jié)束時，不僅要將布局設計交給代工廠，隨后還必須在制造的晶粒上進行光學表征，并將設計模型反饋至仿真工具中，以驗證系統(tǒng)功能和制造容差。

　　在開發(fā)最終需要投產(chǎn)的任何復雜系統(tǒng)時，這對于反復優(yōu)化光子電路可說是關鍵的一步。當制造的芯片數(shù)量超過一定值時，建議利用測試公司提供的自動化表征裝置和量測設備，以便加快進程，并獲得可靠和一致的信息。

　　最后，在設計光子芯片時還有許多其它因素要考慮，如測試要求、封裝標準或最佳實踐，以及特殊的設計要求、快捷方式和以及每家具體代工廠有關的優(yōu)化等。

　　設計公司通常不僅提供設計，還提供測試服務，例如VLC Photonics可支持在所有主要的材料平臺上開發(fā)任何的光子芯片，過去十年來在整個無晶圓廠生態(tài)系統(tǒng)中也收獲甚豐。

　　圖6：以硅光子開發(fā)的中階光柵波分多任務器，瞄準光數(shù)據(jù)通訊應用