光子集成研究进展

 陈向飞 唐  松

 (1．南京大学南京210093；2．英国格拉斯哥大学英国格拉斯哥G128QQ)

摘要：为了适应互联网及无线通信的快速发展，对分立的半导体器件的集成是目前光通信领域的研究热点，是未来光通信系统硬件的发展方向。首先介绍了光子集成的研究背景，探讨了制作光子集成芯片的必要性与紧迫性。接着介绍了目前主流的光子集成技术以及国际上的研究成果。最后对光子集成面临的挑战及问题做了相关的论述，探讨了光子集成技术的发展趋势及其应用领域。

关键词：光子集成；半导体器件；光电子

doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2015282

 Research Progress of Photonic Integrated Circuits

 Chen XiangfeiTang Song 

 (1. Nanjing University, Nanjing 210093, China;2.University of Glasgow, Glasgow G128QQ, Scotland, UK)

Abstract: To meet the demands of fast developments of the internet and wireless communications, the integration ofdiscrete semiconductor devices is the current research hotspot in the optical communication field and is the future ofthe hardware of optical communication system. Firstly, the research background of photonic integrated circuits aswell as the necessity and urgency were introduced. Then, the main techniques of photonic integrated circuits and theresearch achievements in the world were introduced. Finally, the challenges and problems involved and the futuredevelopments and applications of photonic integrated circuits were discussed.

Key words: photonic integrated circuit, semiconductor device, optoelectronics

1  引言

 随着互联网及无线通信网络的快速发展，由传统分立器件构成的光网络系统越来越复杂，随之带来的是能耗激增的问题。人们渴望将具有不同功能的半导体器件集成在同一个基片上，高度的集成化能简化系统结构，带来更紧凑的封装方式，大大地降低能耗。2004年以后，光子集成器件(PIC)发展迅速，成为目前光通信领域的研究热点，并且被欧美发达地区和国家定位为战略发展技术方向。半导体器件的集成代表了未来光通信网络的发展方向，能有效地解决通信容量紧张以及能耗激增的问题。在这方面，我国的光电子集成芯片研究进展缓慢，迫切需要展开更深入的研究。

 在微电子领域，芯片的集成度遵循摩尔定律：芯片的集成度（单个芯片上的晶体管数目）每两年翻一番，这个定律在电子芯片过去40多年的发展进程中得到了验证。对于光子集成芯片，人们发现了类似的“摩尔定律”，只不过集成度不是每两年翻一番，而是近似每2.5年翻一番，如图1所示。然而，光子集成芯片和传统的微电子集成芯片有很大的不同，微电子集成芯片的优势在于只需要少数几种简单的微结构的大量拼凑就可以实现复杂的功能。而对于光子集成器件，其线度目前远远大于微电子功能结构的尺寸，并且光电子器件种类繁多，包括激光器、调制器、放大器、滤波器、耦合器、复用器等需要不同设计的功能器件，因此光电子器件的集成难度远远大于传统的微电子芯片。然而，尽管难度很大，人们在光子集成领域还是在不断地前进，并且取得了相当大的成就。

2光子集成相关技术

 目前光子集成技术种类繁多，各种技术都有各自的优缺点，并且在不同的领域得到了应用。对于光电子器件的集成，由于现代光通信系统都是基于波分复用(WDM)技术，因此光电子器件都是基于特定波长优化的。对于不同种类的光电子器件，比如激光器、调制器、无源耦合器等，它们对光的不同功能来自于它们不同的能带结构，因此光电子器件的集成本质上是对不同波长的光的能带工程，需要在同一个基片上实现具有不同功能的能带结构。

 在各种光电子器件中，半导体激光器是比较特殊的一类器件，作为光通信系统的信源，它无可替代的功能奠定了其在种类繁多的光电子器件中的关键地位。围绕半导体激光器这一关键器件，光子集成的方式无非可以划分为两种：一种是基于制作有源激光器的基片，通过一些特殊的方法改变特定位置的能带结构，实现具有不同功能的器件：还有一种即基于无源器件，通过在制作无源器件的基片上集成半导体激光器来实现功能器件的集成。

 事实上，对于前一种方法，由于制作通信波段的半导体激光器都基于InP材料，因此有源无源集成限定在了InP基片上。在InP材料基底上通过生长量子阱结构制作高性能半导体激光器芯片的方法，只需要通过一定的方式改变量子阱的能带结构就能实现具有不同功能的光电子器件的集成，目前唯一成功商业化的单片光子集成案例就是基于这种集成方式。通过改变量子阱的能带实现不同的功能，目前已经发展了多种技术，包括对接生长技术、量子阱混杂技术、选择区域生长技术等，每种技术都有各自的优缺点，实际要制作高性能的集成芯片，可能需要同时应用这几种技术，以便在获得高性能的同时，尽量降低生产成本。

 另外一种集成方式就是在无源材料上制备耦合器、调制器等器件，和基于InP材料的半导体激光器结合。目前国际上研究的无源材料器件有硅基材料、有机聚合物材料、铌酸锂材料以及玻璃基材料等。这些材料都非常适合制作高性能的无源器件，并且很多都获得了商业化的成功，比如基于铌酸锂材料的马赫一曾德尔调制器、基于玻璃材料的光分路器等。因此在成熟的无源器件基础上进行半导体器件的集成是比较好的方式，由于目前制备通信用的半导体激光器只能基于InP材料，InP和上述材料都无法实现晶格匹配，因此基于无源材料的光子集成难度很大。一种比较直接的集成方式就是将无源器件与半导体激光器进行直接耦合，混合封装成一个模块，这种方式的难度在于耦合，目前还没有比较好的方式获得很高的耦合效率，而且这种集成方式不利于模块的小型化。另外一种方式就是在无源材料上通过键合或者粘合的方式，将半导体激光器InP材料和无源材料结合。现在基于硅基光子学的集成方案比较热门，由于硅基器件的制作可以和微电子的CMOS工艺兼容，人们期望硅基光子学未来能实现大规模、低成本的集成光子芯片的制备。

 光子集成相关技术的总结如图2所示，虽然光子集成的相关技术种类很多，人们目前普遍认为基于InP的光子集成技术和硅基光子学是未来光子集成的发展方向，下面就这两种光子集成方式进行探讨。

3基于InP材料的光子集成器件

 基于InP的光子集成器件最早可以追溯到1987年，日本的研究人员首次在同一个芯片上集成了一个分布反馈(DFB)激光器和一个电吸收调制器(EAM)。然而到了1995年，集成芯片才在商业上获得大规模的应用。随着工艺的改进、集成度的提高，人们在单个芯片上实现的传输速率也在逐年提高。2004年，光子集成器件的先驱美国Infinera公司首次实现了100 Gbit/s的发射器，并且逐渐走向了大规模光子集成的道路。

 基于InP的光子集成器件目前已趋于成熟，其基本的产品可以分为两种集成模块：发射器和接收器。这两种模块可以单独设计制作，并没有要求完全集成在同一个基片上，发射器具有发射多波长通道信息的功能，而接收器则将不同的信道分解开，并且提取出每个信道的信息。典型的光子集成发射芯片的结构如图3所示，每一路都由激光器(laser diode，LD)、调制器(modulator)、可调衰减器(variable optical attenuator，VOA)组成，每一个通道对应密集波分复用(DWDM)系统的一个波长，当复用器(multiplexer)将多个通道合并成一个通道输出时，就实现了一个完整的光子集成发射芯片。每一个通道的调制器能调制的信号速率越高，调制的格式越复杂，单个芯片上集成的通道数越多，则该集成芯片能承载的速率越高。光子集成接收器的结构和发射器的结构类似，只不过是一个相反的过程：光纤中的多信道光源首先经过解复用器( demultiplexer)将每个信道的波长分解出来，然后每个通道集成PD探测器就可以将特定波长上承载的信息提取出来。

 虽然现在国际上很多公司都推出了自己的光子集成芯片，比如Finisar、CyOptics等，都推出了自己的光子集成芯片,包括单芯片40 Gbit/s甚至100 Gbit/s。但这些集成芯片基本上都是4通道的，集成度并不高，而且基本上应用于局域网，传输距离较短。在光子集成器件方面的集大成者还是Infnera公司，该公司可以说是目前世界上唯一一家能做大规模光子集成芯片的公司，唯一一家将大规模光子集成芯片商用的公司。在2011年，该公司成功实现了单芯片10通道速率达1.12 Tbit/s的超级通道相干发射芯片，标志着光子集成芯片又向前进了一大步。目前基于InP材料的光子集成芯片的应用主要有两种：一种就是应用于局域网，集成度要求不高，速率要求也没有很高；另一种就是应用于长距离相干光通信，对集成芯片要求很高，目前只有Infmera公司推出了相关产品。

 目前光子集成芯片以美国公司为代表，具有最高的研究水平以及成熟的商业化产品，紧随其后的便是欧洲国家。欧盟为了在光子集成领域的研究水平不落后于美国，建立了一个基于InP材料的光子集成芯片研究以及产业转化平台-JePPIX(Joint European Platform for InP-basedPhotonic Integrated Components and Circuits)，该平台联合了整个欧洲在InP集成方面研究以及产业化水平最高的高校、研究所以及公司，希望建立一个公用的通用工艺加工平台。

 欧洲JePPIX通用光子集成平台借鉴微电子的集成方式，希望通过将光子集成芯片分解成一个一个微小的功能模块，建立对应的标准工艺，这样就会有利于集成。类比于微电子的集成过程，这种工艺流程适合大规模工业化制作，并且可以灵活地定制芯片，当芯片定制上一定的规模时，具有很高的成本效益。图4展示的是通过4种基本的功能模块：无源波导(passive waveguide device)、相位调制器(phase modulator)、半导体光放大器(semiconductoroptical amplifier)和偏振转换器(polarisation converter)，可以制备多种具有复杂功能的集成器件，比如2x2光开关(2x2switch)、多波长激光器（multi-wavelength laser）以及偏振分束／复用器(polarisation splitter/combiner)等。一旦建立成熟的通用集成技术平台，欧洲国家在光子集成芯片大规模应用方面必定会有所作为。

4基于硅基的光子集成器件

 硅材料由于微电子芯片的大量应用而大放异彩，同时硅也是很好的光无源材料，结合材料锗可以制作性能优良的无源波导、调制器、探测器等光电器件。由于硅有成熟的CMOS工艺，并且目前的硅工艺的精度可以达到10 nm，因此人们希望制备硅基光电子器件，并且借助于CMOS工艺，可以大规模制备低成本的光子集成芯片。目前，基于硅基的光子集成器件很热门，国际上很多著名公司以及研究组都在致力于硅基光子器件的产业化研究，包括微电子芯片的巨头IBM、Intel等公司，其中Intel公司在这方面已经有近20年的技术积累，研制出的硅基光子集成芯片已成功应用于Facebook、Google等公司的数据中心。美国的新兴公司Luxtera．是硅基光子集成芯片的引领者，通过在硅基光子集成芯片上键合基于InP材料的半导体激光器，成功制备了4x10 Gbit/s的光电收发器，并且成功将其封装成QSFP模块。硅基光子集成芯片的成功应用增大了人们对硅基光子学的信心，未来硅基光子集成芯片将得到更广泛的应用。

 人们已经基于硅材料制作了很多性能优异的调制器以及探测器等光电器件，然而由于硅是非直接跃迁带隙材料，因此无法直接制作半导体激光器。尽管人们还是在不断地尝试制作硅基的半导体激光器，但目前硅基激光器还无法产业化，性能更无法超越基于InP材料的半导体激光器，因此硅基光子芯片和基于InP的半导体激光器的结合还是目前最有希望获得产业化的一种方案。

 要是能直接在硅上生长InP材料，则可以很方便地集成基于InP的半导体激光器，可惜InP材料和硅材料的晶格常数相差很大，在硅上很难实现无缺陷的InP材料的生长。虽然有少数研究组还在探索如何在硅上生长InP材料，但研究人员更多地将注意力放在了硅基光子集成芯片和InP激光器成品（或者半成品）之间的混合集成。混合集成有两种方式：一种方式是通过机械耦合直接将两者进行耦合封装，还有一种是通过bonding（键合或者粘合）方式实现混合集成,bonding方式可以实现真正意义上的硅基单片集成芯片。

4.1机械耦合封装的硅基集成芯片

 如果能将半导体激光器直接和硅基光子集成芯片进行耦合，则可以制备混合封装的光子集成模块。然而，由于半导体激光器的脊条宽度一般为2 μm左右，而硅波导的尺寸一般可以达到500 nm左右，波导宽度的不对等造成了模式的严重不匹配，因此需要研究如何提高耦合效率。

 图5显示的是波导之间的直接耦合，图5(a)是DFB半导体激光器将出射光直接耦合到硅基波导中，图5(b)则是将硅基波导中的光耦合进光纤，以便传输。要提高耦合效率，需要将硅波导在耦合端制作锥形的模式转换器，通过将硅波导做宽，可以尽量使得模式匹配，从而增大耦合效率。应用于波分复用系统，需要多个波长的半导体激光器，因此需要硅基光子集成芯片和半导体激光器阵列进行耦合，这对于耦合技术和耦合效率都是不小的挑战。

 除了这种边耦合的方式，研究人员还开发了另外一种耦合方式，通过波导光栅进行耦合，如图6所示。当在硅波导中制作强耦合的光栅结构时，由于光波波矢和光栅倒格矢之间的相互作用，光会在垂直方向以一定的角度辐射出去，这样就可以进行光纤耦合。这种耦合方式是在垂直方向上进行耦合，对机械固定的要求更高，难度也更大。

4.2混合集成硅基光子芯片

 要实现硅基光子芯片的单片集成，则需要将基于InP的半导体激光器直接集成到硅基片上，国外研究人员通过胶粘合或键合的方式将半导体激光器芯片固定在硅基片上。前者具有代表性的研究组是比利时的根特大学，后者则是美国加州大学圣芭芭拉分校的Bowers J E研究组。

 为了使半导体激光器能比较方便地集成在硅基上面，比利时根特大学的研究组采用了一种叫做DVB-BCB的紫外固化胶，这种胶能够在紫外光的照射下固化，这样就能在半导体激光器芯片和硅基波导对准之后方便地进行固定。这种方式能实现大面积的芯片之间的集成，但对胶的稳定性以及对准过程的精度具有很高的要求。粘合后的集成芯片的横截面如图7(a)所示，通过抛光减薄之后，半导体激光器的N型掺杂的基底很薄，将次激光器的N型基底的一面和制作的硅基光子器件之间通过很薄的DVS-BCB胶粘合起来，这样量子阱和硅基波导之间的距离就很近，量子阱里的光直接就可以通过硅基波导耦合出来。这样就能将InP半导体有源器件和硅基器件很好地集成起来，制作单片硅基光子集成器件。

 为了使芯片之间的结合更稳固，研究人员希望通过键合的方式实现半导体激光器和硅基器件之间的结合。通过键合，分子之间具有强力的作用力，保证了芯片的稳定性，同时避免了紫外胶对芯片性能的影响。如图7(b)所示，通过02等离子体的辅助，基于InP的半导体激光器和已经制作好硅基光子器件的基片在较低温度下键合在了一起。通过这种方式，半导体激光器的量子阱可以和硅波导距离更近，有益于获得更大的光场限制因子，获得更好的性能。这种键合方式同样可以实现大面积基片之间的键合，具有实现未来大规模低成本光子集成芯片的潜力。

5光子集成器件的未来：lnP还是Si

 前文介绍了基于InP的光子集成芯片，也介绍了硅基光子集成芯片的实现，虽然基于InP的光子集成芯片率先获得了商业化的成功，但硅基光子学借助于成熟的CMOS工艺，未来可能更具有潜力。光子集成器件的未来究竟是InP还是Si．一直是业内人士争论和思考的问题。

 基于InP的光子集成芯片一直给人以性能高但价格也高的印象，因为基于InP材料的有源结构的量子阱的生长一般是多量子阱结构，需要用到四元化合物来调节相应的能带，生长工艺复杂。而且用到的原材料（比如In）都比较昂贵，并不像Si那样来源广泛。就像Infinera公司推出的光子集成芯片价格如此高昂，以至于只能应用于对价格没那么敏感的骨干网，这也是基于InP的光子集成芯片还没有大规模应用的一个原因。然而，基于InP的光子集成芯片在未来还是有潜力的，欧洲国家致力于建立JePPIX光子集成平台，他们认为，基于InP的光子集成芯片价格高昂的原因是还没有建立一个像CMOS工艺那样的通用的工艺加工平台。一旦基于InP的加工平台得以建立，在实现高成品率以及大规模应用的情况下，基于InP材料的光子集成芯片也会拥有很低的价格。

 那么，硅基光子集成芯片是否一定能取代基于InP材料的光子集成芯片呢？首先，毫无疑问的是，硅基激光器一直是硅基光子集成芯片的一个软肋，就像前文分析的那样，硅基光子集成芯片的未来可能还是在于结合基于InP的半导体激光器的混合集成。一方面，就目前而言，通过键合的方式得到的硅基光子集成芯片暂时只达到40 Gbit/s的速率(Luxtera公司的产品)，然而，基于InP的光子集成芯片已经实现了1.12 Tbit/s的传输速率（Infmera公司产品），两者之间还存在着不小的差距。另外一方面，硅基光子集成芯片也并不一定意味着低廉的价格。对于小批量的生产，硅基光子集成芯片价格也很高昂，价格低廉的前提也是大规模生产的同时拥有很高的成品率。虽然硅基光子学和CMOS工艺相兼容，但其制作参数、工艺流程和微电子芯片的制作很不一样，高成品率的前提是对每一步工艺都进行细致的摸索，同时对工艺流程进行精确的管控。虽然目前的CMOS工艺已经达到了10 nm的量级，但要在同一硅基片上同时实现调制器、探测器、无源波导等的光电子器件的集成，是一个非常具有挑战性的工作，其制作工艺并不能照搬微电子芯片的制作工艺。同时硅基光子芯片的封装和基于InP的光子集成芯片都涉及光的耦合，比普通的微电子芯片成本要高，硅基光子集成芯片要实现大规模应用还需时日。

 就目前而言，基于InP的光子集成芯片由于出色的性能在骨干网以及局域网都得到了很好的应用，而硅基光子集成芯片由于低功耗以及与CMOS工艺兼容的特点，有望率先在数据中心的光互连得到应用，并且未来可以实现微电子芯片间的互连。至于未来两者在某些应用领域产生竞争，还要看最终哪种技术能在实现高性能的同时具有较低的成本。

6  国内光子集成技术

 国内已部署并开展了光子集成技术方面的研究工作，例如：国家自然科学基金委重大项目“高速光电子集成基础研究”(No. 61090392)于2010年立项，开展面向高速传输、交换和高速封装测试的光子集成基础方面的研究；国家“863”计划项目“光子集成技术与系统应用”( No.  2011AA010300)于201 1年立项，对光子集成技术及其系统应用进行了比较完整的研究，研究内容包括光集成的基础技术、硅基光集成接收芯片、面向干线传输的InP基lOxlo Gbit/s光子集成发射芯片、面向光接入网络的16x2.5 Gbit/s光子集成发射芯片、面向无线通信的8x6 GHz模拟光子集成发射芯片以及各个芯片的示范性系统平台应用。目前在光子集成芯片、模块和应用上都已取得了重要的研究进展。

7结束语

 毫无疑问，光子集成是未来光通信网络的发展趋势。欧美日等地区和国家率先在该领域做出了开创性的研究工作，并且有相应的产品不断问世。随着光子集成芯片的集成度被逐渐打破，单芯片所能承载的通信速率必然会越来越大。光电子器件的集成将是各大光电子器件公司争相争夺的战略制高点，必将成为下一代光通信网络的关键。