硅基光子集成的发展及其相关技术简述

PIC 的概念最早由贝尔实验室的Miller S E 在1969年提出，受制于固有技术问题，PIC 商品化的进程十分缓慢。概念提出25 年后，才出现了只集成无源器件的小规模PIC 产品。35 年后，大规模PIC 才取得重要突破，代表性产品即Infinera 的100 Gbit/s 光发射和接收芯片。近几年，随着技术的逐渐积累以及产业需求的旺盛，PIC 产业才进入较快发展时期。目前，中小规模PIC 已经成熟并取得广泛商用，常见的产品主要有无源PIC，如光分路器、AWG、光开关阵列、VOA 阵列等以及有源PIC， 如激光器与电吸收调制器集成产品（EML）、激光器与马赫—曾德尔调制器集成产品、激光器阵列和探测器阵列等，Finisar、JDSU、NeoPhotonics 等业界主流的光器件厂商均有成熟产品。Infinera 是大规模PIC 技术及产业的引领者，其第三代产品已达到500 Gbit/s 的速率， 可实现超过600 个元器件的单片集成，下一代产品将瞄准1 Tbit/s。

1.3光子集成的制备工艺

在制作工艺方面， 铌酸锂和玻璃波导主要基于扩散、离子交换或质子交换工艺。硅材料和Ⅲ-V 族化合物半导体主要基于半导体制造工艺。硅材料的制备技术主要包括：热氧化和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺。Ⅲ-V 族化合物半导体材料制备技术主要包括： 传统的气相外延（VPE）、液相外延（LPE）、分子束外延（MBE）和金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺，其中，MOCVD 由于生产设备相对简单、造价低、可按任意比例控制合成材料、适合规模生产等优势，得到学术和产业界的广泛认同。

二、硅基光子集成

硅基光子集成按材料和制造工艺可分为单片集成和混合集成两类. 单片集成是目前比较常见的一类硅基光子集成, 指在同一硅晶圆上利用半导体制造工艺技术, 使多个相同或不同功能的硅基光子器件在整体上构成阵列化、模块化的单个芯片, 以此实现基于硅光子单元的一种或多种光学信息处理功能, 即同一芯片上光子器件的平面集成.混合集成主要所要实现的功能目标与单片硅基光子集成基本相似, 但所用材料通常为多个孤立的半导体衬底, 且往往包含不同体系的材料, 如III-V族半导体材料、铁电体材料、有机聚合物、液晶等,将这些具有不同功能不同材料的芯片用焊接或键合技术在物理上组成一个整体而实现一个完整的功能。

2.1单片集成

单片集成里通常会用到硅上锗材料，例如锗—硅调制器和锗光探测器。同时锗基晶体管对于今后的硅基光电集成也是十分有益的。此外也有人提出利用硅基上锗应变来改变锗的带隙结构, 使其成为直接带隙材料而能够发光]。可见不论是在现在的探测器, 还是今后的硅基光电集成或IV 族材料发光上, 硅上长锗是其重要基础工艺，由于两者之间存在4%的晶格失配， 锗生长过程中会在晶格内生缺陷而形成非辐射复合中心， 进而降低器件性能。 于是有人用低温下两步生长锗的方法来生长锗， 其中低温锗作为缓冲层以减少缺陷。在2013 年GFP 会议上，有很多研究机构报道了其利用相关的硅基上锗外延工艺制作了硅上锗器件, 如NTT 公司 生长锗探测器的方法是先用超高真空气相沉积, 然后900°C 下退火而成, 其结构示意图如图2 所示。

2.2混合集成

 随着硅基光子集成的逐步发展以及人们对硅基光子集成的需求不断提升， 单纯的单片硅基光子集成已经不能够满足人们的需求。 混合集成是将具有不同功能、不同材料的芯片，如Ⅲ-V 族激光器、调制器、探测器，通过焊接或键合技术在物理上与硅材料组成一个整体。混合硅基光子集成以其实现途径简便灵活及器件间的制作相互独立的优点而在硅基光子集成中占据一席之地。 同时它也极大地拓宽了硅基光子集成的发展空间， 使硅基光子集成系统在技术进步方面获得了新动力。 特别是在硅基发射模块中， 由于间接带隙的硅难以发光， 因此在发光模块中通常会与III-V 族或其他材料混合集成。