硅基光子集成的发展及其相关技术简述

随着现代社会信息化的发展，对于通信带宽的需求日益增长，而在过去的半个多世纪里, 电互连在信息行业的发展起着至关重要的作用, 但随着晶体管特征尺寸的不断减小, 使电互连面临着信号延迟大、传输带宽小、功耗大、信号串扰大、加工困难、成本高等局限, 集成度提高的速度减慢甚至趋于停滞。光通信技术迎来了前所未有的发展机遇。光通信技术在长距离通信领域有绝对优势，但用户端光通信器件不普及，因此提高器件集成度，降低成本成为关键。光器件是光通信系统的基础与核心，最能够代表一个国家在光通信技术领域的水平和能力。光子集成（photonic integrated circuits，PIC） 是指将多个光器件集成在一起的技术，相对于目前广泛采用的分立元器件，在尺寸、能耗、成本、可靠性等方面拥有巨大优势，是未来光器件的主流发展方向。

近年来，随着技术的逐渐积累以及产业需求的旺盛，光子集成技术迅猛发展, 其中硅基光集成技术脱颖而出,硅材料在电子集成电路中应用广泛，成本低廉、性能稳定、工艺成熟，适合规模化生产。在PIC 领域，由于硅是间隙能带材料，禁带宽度较大，发光效率和光电效应很弱，目前主要应用于无源器件，基于硅材料的探测器、调制器等有源器件近几年也取得了一定突破。

一、光子集成

光子集成（Photonic Integrated Circuits简称：PIC）也叫光子集成电路。以介质波导为中心集成光器件的光波导型集成回路，即将若干光器件集成在一片基片上，构成一个整体，器件之间以半导体光波导连接，使其具有某些功能的光路。如集成外腔单稳频激光器，光子开关阵列，光外差接收机和光发射机等。

现有PIC所采用的基底材料主要包括磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）、铌酸锂（LiNbO3）、硅以及二氧化硅。对于GaAs 衬底，其主要适合于生长光通信短波长（850 nm）波段器件和一些高速电子元器件；对于InP 衬底，则非常适合于制备通信用长波长（1310 nm，1550 nm）波段器件；而Si 衬底，在微电子器件方面已经发展得相当成熟。

1.1光子集成的分类及比较

 根据集成的元器件数量，光子集成可分为小规模PIC、中等规模PIC 和大规模PIC， 通常指单片集成的功能元器件数量在10 个以内、10~50 个和超过50 个。大规模PIC是未来主流的发展方向。

光器件中分为有源光器件和无源光器件。无源器件用来进行光信号的传输，或者通过方向性进行“信号放大”，有源器件一般用于发射、接收、放大、变换光信号等。目前，无源PIC 一般采用硅作为材料，有源PIC 一般采用InP、GaAs 等化合物半导体为材料。根据集成的元器件是否采用同种材料，PIC 可以分为混合集成和单片集成。单片集成又可以分为有源PIC和无源PIC。

1.单片集成：单片集成是经过相同制作工艺，将不同元器件集成在同一衬底上的一体化技术，实现起来有较大技术难度，但具有结构紧凑、尺寸小、功耗低、可靠性强等优势，是PIC 的发展方向。

1)无源PIC：全部由无源元器件组成，例如波导、分波/合波器、光开关、可调光衰（VOA）等。无源PIC 技术相对简单，目前最常用的是平面波导（planar lightwave circuit，PLC）技术，业界通常将PLC技术等同为无源PIC 技术。

2）有源PIC：全部由有源元器件组成组成，例如有源元器件有LD、PIN 探测器、调制器、光放大器等。目前多采用InP、GaAs 等化合物半导体为衬底材料，通过金属有机物气相外延（MOCVD）或分子束外延技术（MBE），结合刻蚀技术来实现集成。

2.混合集成：集成器件中包含了有源、无源器件，该技术需要在同一个衬底上制作无源、有源器件，因此该方法更加复杂。，它的优势是能够实现无源光波导与有源器件之间较自由的结合。然而，不同元器件间需要精密的位置调整与固定，加之不同材料在光学、机械和热特性等方面存在差异，都将加重封装的复杂性和成本，并限制集成规模。

相对而言，目前无源PIC 技术更为成熟，商用化程度较高，成本也相对更低，通常见到的AWG、基于PLC 的ROADM 都是无源PIC 技术的产物。

1.2光子集成发展及进展

图1.光子集成发展历程