硅基光子集成的發(fā)展及其相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)述

隨著現(xiàn)代社會(huì)信息化的發(fā)展，對(duì)于通信帶寬的需求日益增長(zhǎng)，而在過(guò)去的半個(gè)多世紀(jì)里, 電互連在信息行業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用, 但隨著晶體管特征尺寸的不斷減小, 使電互連面臨著信號(hào)延遲大、傳輸帶寬小、功耗大、信號(hào)串?dāng)_大、加工困難、成本高等局限, 集成度提高的速度減慢甚至趨于停滯。光通信技術(shù)迎來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。光通信技術(shù)在長(zhǎng)距離通信領(lǐng)域有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但用戶(hù)端光通信器件不普及，因此提高器件集成度，降低成本成為關(guān)鍵。光器件是光通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心，最能夠代表一個(gè)國(guó)家在光通信技術(shù)領(lǐng)域的水平和能力。光子集成（photonic integrated circuits，PIC） 是指將多個(gè)光器件集成在一起的技術(shù)，相對(duì)于目前廣泛采用的分立元器件，在尺寸、能耗、成本、可靠性等方面擁有巨大優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)光器件的主流發(fā)展方向。

近年來(lái)，隨著技術(shù)的逐漸積累以及產(chǎn)業(yè)需求的旺盛，光子集成技術(shù)迅猛發(fā)展, 其中硅基光集成技術(shù)脫穎而出,硅材料在電子集成電路中應(yīng)用廣泛，成本低廉、性能穩(wěn)定、工藝成熟，適合規(guī)�；�生產(chǎn)。在PIC 領(lǐng)域，由于硅是間隙能帶材料，禁帶寬度較大，發(fā)光效率和光電效應(yīng)很弱，目前主要應(yīng)用于無(wú)源器件，基于硅材料的探測(cè)器、調(diào)制器等有源器件近幾年也取得了一定突破。

一、光子集成

光子集成（Photonic Integrated Circuits簡(jiǎn)稱(chēng)：PIC）也叫光子集成電路。以介質(zhì)波導(dǎo)為中心集成光器件的光波導(dǎo)型集成回路，即將若干光器件集成在一片基片上，構(gòu)成一個(gè)整體，器件之間以半導(dǎo)體光波導(dǎo)連接，使其具有某些功能的光路。如集成外腔單穩(wěn)頻激光器，光子開(kāi)關(guān)陣列，光外差接收機(jī)和光發(fā)射機(jī)等。

現(xiàn)有PIC所采用的基底材料主要包括磷化銦（InP）、砷化鎵（GaAs）、鈮酸鋰（LiNbO3）、硅以及二氧化硅。對(duì)于GaAs 襯底，其主要適合于生長(zhǎng)光通信短波長(zhǎng)（850 nm）波段器件和一些高速電子元器件；對(duì)于InP 襯底，則非常適合于制備通信用長(zhǎng)波長(zhǎng)（1310 nm，1550 nm）波段器件；而Si 襯底，在微電子器件方面已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟。

1.1光子集成的分類(lèi)及比較

 根據(jù)集成的元器件數(shù)量，光子集成可分為小規(guī)模PIC、中等規(guī)模PIC 和大規(guī)模PIC， 通常指單片集成的功能元器件數(shù)量在10 個(gè)以?xún)?nèi)、10~50 個(gè)和超過(guò)50 個(gè)。大規(guī)模PIC是未來(lái)主流的發(fā)展方向。

光器件中分為有源光器件和無(wú)源光器件。無(wú)源器件用來(lái)進(jìn)行光信號(hào)的傳輸，或者通過(guò)方向性進(jìn)行“信號(hào)放大”，有源器件一般用于發(fā)射、接收、放大、變換光信號(hào)等。目前，無(wú)源PIC 一般采用硅作為材料，有源PIC 一般采用InP、GaAs 等化合物半導(dǎo)體為材料。根據(jù)集成的元器件是否采用同種材料，PIC 可以分為混合集成和單片集成。單片集成又可以分為有源PIC和無(wú)源PIC。

1.單片集成：?jiǎn)纹�集成是�?jīng)過(guò)相同制作工藝，將不同元器件集成在同一襯底上的一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)有較大技術(shù)難度，但具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、功耗低、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是PIC 的發(fā)展方向。

1)無(wú)源PIC：全部由無(wú)源元器件組成，例如波導(dǎo)、分波/合波器、光開(kāi)關(guān)、可調(diào)光衰（VOA）等。無(wú)源PIC 技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，目前最常用的是平面波導(dǎo)（planar lightwave circuit，PLC）技術(shù)，業(yè)界通常將PLC技術(shù)等同為無(wú)源PIC 技術(shù)。

2）有源PIC：全部由有源元器件組成組成，例如有源元器件有LD、PIN 探測(cè)器、調(diào)制器、光放大器等。目前多采用InP、GaAs 等化合物半導(dǎo)體為襯底材料，通過(guò)金屬有機(jī)物氣相外延（MOCVD）或分子束外延技術(shù)（MBE），結(jié)合刻蝕技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)集成。

2.混合集成：集成器件中包含了有源、無(wú)源器件，該技術(shù)需要在同一個(gè)襯底上制作無(wú)源、有源器件，因此該方法更加復(fù)雜。，它的優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)源光波導(dǎo)與有源器件之間較自由的結(jié)合。然而，不同元器件間需要精密的位置調(diào)整與固定，加之不同材料在光學(xué)、機(jī)械和熱特性等方面存在差異，都將加重封裝的復(fù)雜性和成本，并限制集成規(guī)模。

相對(duì)而言，目前無(wú)源PIC 技術(shù)更為成熟，商用化程度較高，成本也相對(duì)更低，通常見(jiàn)到的AWG、基于PLC 的ROADM 都是無(wú)源PIC 技術(shù)的產(chǎn)物。

1.2光子集成發(fā)展及進(jìn)展

圖1.光子集成發(fā)展歷程