2. 量子光子器件物理基础
量子光子芯片的版图设计，本质上是在二维平面上“雕刻”出能够约束、引导和耦合光场与微波场的几何结构。PDK 中每一个器件单元——直波导、弯曲波导、微环谐振器、光子晶体腔、超导共面波导——其版图尺寸和层叠参数都不是随意选取的，而是由麦克斯韦方程组在特定边界条件下的模式解与色散关系决定的。理解这些物理约束，才能在调用 PDK 单元时知道哪些参数可以改、哪些改了会破坏相干性。
一、光波导：模式与色散是版图尺寸的“隐形标尺”
集成光波导通常采用高折射率差材料体系，例如硅（n≈3.48）包覆二氧化硅（n≈1.44），或氮化硅（n≈2.0）包覆氧化硅。由于芯层与包层折射率差大，波导可以在亚微米截面内实现强光场约束。以 220 nm 厚硅膜、500 nm 宽条形波导为例，在 1550 nm 通信波段，其单模条件由归一化频率 V 数决定：当 V < 2.405 时仅支持基模 TE₀。若宽度增至约 700 nm 以上，高阶模 TE₁ 开始出现，版图中若仍按单模调用就会引入模式串扰。
波导的色散特性直接决定群速度与脉冲展宽。有效折射率 n_eff 随波长变化，群折射率 n_g = n_eff − λ·dn_eff/dλ。硅波导在 1550 nm 附近 n_g 约为 4.2，意味着光在波导中的实际传播速度仅为真空光速的约 1/4.2。版图长度每增加 1 mm，对应群延迟约 14 ps。对于量子态传输，若不同频率成分的延迟差超过相干时间，就会破坏干涉可见度。因此 PDK 中波导单元通常标注“单模带宽”和“色散参数 D”，设计者需据此判断是否需要在链路中插入色散补偿结构。
二、微环谐振器：耦合区与自由光谱范围的版图映射
微环谐振器由环形波导与至少一条直波导耦合构成，是量子光子芯片中实现滤波、路由和腔增强非线性效应的核心器件。其谐振条件为 2πR·n_eff = mλ_m，其中 R 为环半径，m 为整数。自由光谱范围 FSR = λ²/(2πR·n_g)。以 R = 10 μm、n_g = 4.2 为例，1550 nm 附近 FSR 约为 9.1 nm。版图中环半径每变化 1 μm，FSR 变化约 0.9 nm，因此对波长敏感的量子干涉实验必须将半径公差控制在亚微米级。
耦合区间隙 g 决定耦合系数 κ 与品质因子 Q。间隙越小，κ 越大，Q 越低。典型硅微环在 g = 200 nm 时，Q 约 10⁴～10⁵；g 增至 300 nm，Q 可升至 10⁵～10⁶。但 Q 越高，腔内光子寿命越长，对温度漂移和制造误差越敏感。量子应用中，若需要强耦合非线性效应，往往选择临界耦合状态，此时 Q 与损耗匹配，腔内场增强最大。版图设计时，PDK 会给出“间隙—Q—FSR”关系曲线，设计者据此选择环半径与间隙组合。
三、光子晶体：带隙与缺陷腔的量子光学意义
光子晶体通过周期性折射率调制形成光子带隙，特定频率的光无法在完美晶格中传播。在版图上，这通常表现为一维或二维孔阵列，例如在硅波导上刻蚀周期 a = 420 nm、半径 r = 120 nm 的空气孔。带隙中心频率由布拉格条件决定，而带隙宽度与折射率差和填充因子相关。当引入一个点缺陷（如去掉一个孔或改变一个孔半径）时，带隙中会出现局域缺陷模，形成光子晶体微腔，其模式体积 V 可小至 (λ/n)³ 量级。
小模式体积与高 Q 值的组合极大增强光与物质的相互作用，是量子点单光子源、腔量子电动力学实验的关键。但版图设计必须注意：孔半径偏差 10 nm 就可能导致缺陷模频率偏移数纳米，因此 PDK 中光子晶体单元通常要求电子束光刻精度优于 5 nm，并给出“孔半径—谐振波长”灵敏度系数供设计者做公差分析。
四、超导传输线：微波量子态的低损耗通道
在超导量子计算与微波量子光学中，共面波导（CPW）是传输微波信号的核心结构。它由中心导体和两侧接地平面构成，特征阻抗 Z₀ 由中心导体宽度 w、间隙 s 和基片介电常数决定。典型设计目标为 Z₀ = 50 Ω，对应硅基片上 w ≈ 10 μm、s ≈ 6 μm。版图中 CPW 的弯曲和转角会引入寄生电感与电容，导致阻抗不连续，进而引起微波反射。因此 PDK 会提供经过电磁仿真验证的弯曲单元和 T 型结单元，设计者不应自行绘制任意角度弯折。
超导传输线的损耗机制与光波导截然不同：在毫开尔文温度下，导体损耗被超导能隙抑制，主要损耗来自基片两能级系统（TLS）和辐射泄漏。TLS 损耗与电场在界面处的分布成正比，因此版图中应尽量减少导体边缘暴露面积，并避免在 CPW 附近布置高介电常数材料。相干时间 T₁ 和 T₂ 是最终判据：若传输线谐振器 Q 值低于 10⁶，微波光子寿命将短于量子门操作时间，无法完成多步量子协议。
五、损耗与相干性：版图设计的最终约束
光波导损耗主要来自侧壁粗糙度散射、材料吸收和弯曲辐射。硅波导在 1550 nm 的典型传播损耗为 1～3 dB/cm，弯曲半径小于 5 μm 时辐射损耗急剧上升。对于量子干涉，路径损耗每增加 3 dB，符合计数率减半，但干涉可见度不一定下降——真正致命的是相位噪声和偏振串扰。因此版图中应保持波导走向一致、避免急弯、控制弯曲半径在 PDK 推荐值以上。
相干性要求可以归纳为一条版图准则：所有影响光程差的几何参数，其制造公差必须远小于对应波长分数。例如，若要求相位误差小于 π/100，则光程差公差需小于 λ/200 ≈ 7.75 nm。这直接决定了版图中延迟线、干涉臂和耦合区的尺寸标注方式与公差分配策略。