Photonic integrated circuits (PICs) are considered as the way to make photonic systems or subsystems cheap and ubiquitous. PICs still are several orders of magnitude more expensive than their microelectronic counterparts, which has restricted their application to a few niche markets. Recently, a novel approach in photonic integration is emerging which will reduce the R&D and prototyping costs and the throughput time of PICs by more than an order of magnitude. It will bring the application of PICs that integrate complex and advanced photonic functionality on a single chip within reach for a large number of small and larger companies and initiate a breakthrough in the application of Photonic ICs. The paper explains the concept of generic photonic integration technology using the technology developed by the COBRA research institute of TU Eindhoven as an example, and it describes the current status and prospects of generic InP-based integration technology.

Ultra-small, low-power, all-optical switching and memory elements, such as all-optical flip-flops, as well as photonic integrated circuits of many such elements, are in great demand for all-optical signal buffering, switching and processing. Silicon-on-insulator is considered to be a promising platform to accommodate such photonic circuits in large-scale configurations. Through heterogeneous integration of InP membranes onto silicon-on-insulator, a single microdisk laser with a diameter of 7.5 µm, coupled to a silicon-on-insulator wire waveguide, is demonstrated here as an all-optical flip-flop working in a continuous-wave regime with an electrical power consumption of a few milliwatts, allowing switching in 60 ps with 1.8 fJ optical energy. The total power consumption and the device size are, to the best of our knowledge, the smallest reported to date at telecom wavelengths. This is also the only electrically pumped, all-optical flip-flop on silicon built upon complementary metal-oxide semiconductor technology. Scientists demonstrate that a single 7.5-μm-diameter microdisk laser coupled to a silicon-on-insulator wire waveguide can work as an all-optical flip-flop memory. Under a continuous bias of 3.5 mA, flip-flop operation is demonstrated using optical triggering pulses of 1.8 fJ and with a switching time of 60 ps. This device is attractive for on-chip all-optical signal buffering, switching, and processing.

A review of recent progress in hybrid integrated platforms for silicon photonics is presented. Integration of III-V semiconductors onto silicon-on-insulator substrates based on two different bonding techniques is compared, one comprising only inorganic materials, the other technique using an organic bonding agent. Issues such as bonding process and mechanism, bonding strength, uniformity, wafer surface requirement, and stress distribution are studied in detail. The application in silicon photonics to realize high-performance active and passive photonic devices on low-cost silicon wafers is discussed. Hybrid integration is believed to be a promising technology in a variety of applications of silicon photonics.

The high index contrast silicon-on-insulator platform is the dominant CMOS compatible platform for photonic integration. The successful use of silicon photonic chips in optical communication applications has now paved the way for new areas where photonic chips can be applied. It is already emerging as a competing technology for sensing and spectroscopic applications. This increasing range of applications for silicon photonics instigates an interest in exploring new materials, as silicon-on-insulator has some drawbacks for these emerging applications, e.g., silicon is not transparent in the visible wavelength range. Silicon nitride is an alternate material platform. It has moderately high index contrast, and like silicon-on-insulator, it uses CMOS processes to manufacture photonic integrated circuits. In this paper, the advantages and challenges associated with these two material platforms are discussed. The case of dispersive spectrometers, which are widely used in various silicon photonic applications, is presented for these two material platforms.

Fiber-optic multi-band transmission (MBT) aims at exploiting the low-loss spectral windows of single-mode fibers (SMFs) for data transport, expanding by ~11× the available bandwidth of C-band line systems and by ~5× C+L-band line systems'. MBT offers a high potential for cost-efficient throughput upgrades of optical networks, even in absence of available dark-fibers, as it utilizes more efficiently the existing infrastructures. This represents the main advantage compared to approaches such as multi-mode/-core fibers or spatial division multiplexing. Furthermore, the industrial trend is clear: the first commercial C+L-band systems are entering the market and research has moved toward the neighboring S-band. This article discusses the potential and challenges of MBT covering the ITU-T optical bands O → L. MBT performance is assessed by addressing the generalized SNR (GSNR) including both the linear and non-linear fiber propagation effects. Non-linear fiber propagation is taken into account by computing the generated non-linear interference by using the generalized Gaussian-noise (GGN) model, which takes into account the interaction of non-linear fiber propagation with stimulated Raman scattering (SRS), and in general considers wavelength-dependent fiber parameters. For linear effects, we hypothesize typical components' figures and discussion on components' limitations, such as transceivers,' amplifiers' and filters' are not part of this work. We focus on assessing the transmission throughput that is realistic to achieve by using feasible multi-band components without specific optimizations and implementation discussion. So, results are meant to address the potential throughput scaling by turning-on excess fiber transmission bands. As transmission fiber, we focus exclusively on the ITU-T G.652.D, since it is the most widely deployed fiber type worldwide and the mostly suitable to multi-band transmission, thanks to its ultra-wide low-loss single-mode high-dispersion spectral region. Similar analyses could be carried out for other single-mode fiber types. We estimate a total single-fiber throughput of 450 Tb/s over a distance of 50 km and 220 Tb/s over regional distances of 600 km: ~10× and 8× more than C-band transmission respectively and ~2.5× more than full C+L.

We demonstrate an octave-spanning frequency comb with a spectrum covering wavelengths from 1,540 nm up to 3,200 nm. The supercontinuum is generated by pumping a 1-cm long dispersion engineered silicon wire waveguide by 70 fs pulses with an energy of merely 15 pJ. We confirm the phase coherence of the output spectrum by beating the supercontinuum with narrow bandwidth CW lasers. We show that the experimental results are in agreement with numerical simulations.

An optical switch operating at a wavelength of 1.55 μm and showing a 12 dB modulation depth is introduced. The device is implemented in a silicon racetrack resonator using an overcladding layer of the phase change data storage material Ge2Sb2Te5, which exhibits high contrast in its optical properties upon transitions between its crystalline and amorphous structural phases. These transitions are triggered using a pulsed laser diode at λ = 975 nm and used to tune the resonant frequency of the resonator and the resultant modulation depth of the 1.55 μm transmitted light.

There is a rapidly growing demand to use silicon and silicon nitride (Si 3 N 4 ) integrated photonics for sensing applications, ranging from refractive index to spectroscopic sensing.By making use of advanced CMOS technology, complex miniaturized circuits can be easily realized on a large scale and at a low cost covering visible to mid-IR wavelengths.In this paper we present our recent work on the development of silicon and Si 3 N 4 -based photonic integrated circuits for various spectroscopic sensing applications.We report our findings on waveguide-based absorption, and Raman and surface enhanced Raman spectroscopy.Finally we report on-chip spectrometers and on-chip broadband light sources covering very near-IR to mid-IR wavelengths to realize fully integrated spectroscopic systems on a chip.

Migrating toward higher frequencies and densification of the communication cells are two key enablers for increased wireless data rates. To make these trends economically viable, centralized architectures based on radio-over-fiber (RoF) are explored. This article describes the design of a photoreceiver that can be applied at the remote radio head in a 28 GHz analog RoF link. The devised photoreceiver comprises a Ge-on-Si photodetector and co-designed GaAs low noise amplifier offering 24 dB gain, corresponding to 224 V/W external conversion gain, over a 3-dB bandwidth between 23.5 and 31.5 GHz. The associated noise figure is 2.1 dB and an output referred third order intercept point up to 26.5 dBm can be obtained with a power consumption of 303 mW. Two possible applications are demonstrated in this article. First, the photoreceiver is tested in a 5G New Radio environment resulting in rms-EVM values below 2.46/3.47% for 100/400-MBaud 16-QAM transmission over the 24.25-29.5 GHz band. Secondly, very high data rates can also be supported, demonstrated by a 36 Gb/s link with an rms-EVM of 5.2%.