硅基光子集成的發展及其相關技術簡述

隨著現代社會信息化的發展，對于通信帶寬的需求日益增長，而在過去的半個多世紀里, 電互連在信息行業的發展起著至關重要的作用, 但隨著晶體管特征尺寸的不斷減小, 使電互連面臨著信號延遲大、傳輸帶寬小、功耗大、信號串擾大、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。光通信技術迎來了前所未有的發展機遇。光通信技術在長距離通信領域有絕對優勢，但用戶端光通信器件不普及，因此提高器件集成度，降低成本成為關鍵。光器件是光通信系統的基礎與核心，最能夠代表一個國家在光通信技術領域的水平和能力。光子集成（photonic integrated circuits，PIC） 是指將多個光器件集成在一起的技術，相對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勢，是未來光器件的主流發展方向。

近年來，隨著技術的逐漸積累以及產業需求的旺盛，光子集成技術迅猛發展, 其中硅基光集成技術脫穎而出,硅材料在電子集成電路中應用廣泛，成本低廉、性能穩定、工藝成熟，適合規�；�生產。在PIC 領域，由于硅是間隙能帶材料，禁帶寬度較大，發光效率和光電效應很弱，目前主要應用于無源器件，基于硅材料的探測器、調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簡稱：PIC）也叫光子集成電路。以介質波導為中心集成光器件的光波導型集成回路，即將若干光器件集成在一片基片上，構成一個整體，器件之間以半導體光波導連接，使其具有某些功能的光路。如集成外腔單穩頻激光器，光子開關陣列，光外差接收機和光發射機等。

現有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。對于GaAs 襯底，其主要適合于生長光通信短波長（850 nm）波段器件和一些高速電子元器件；對于InP 襯底，則非常適合于制備通信用長波長（1310 nm，1550 nm）波段器件；而Si 襯底，在微電子器件方面已經發展得相當成熟。

1.1光子集成的分類及比較

 根據集成的元器件數量，光子集成可分為小規模PIC、中等規模PIC 和大規模PIC， 通常指單片集成的功能元器件數量在10 個以內、10~50 個和超過50 個。大規模PIC是未來主流的發展方向。

光器件中分為有源光器件和無源光器件。無源器件用來進行光信號的傳輸，或者通過方向性進行“信號放大”，有源器件一般用于發射、接收、放大、變換光信號等。目前，無源PIC 一般采用硅作為材料，有源PIC 一般采用InP、GaAs 等化合物半導體為材料。根據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和無源PIC。

1.單片集成：單片集成是經過相同制作工藝，將不同元器件集成在同一襯底上的一體化技術，實現起來有較大技術難度，但具有結構緊湊、尺寸小、功耗低、可靠性強等優勢，是PIC 的發展方向。

1)無源PIC：全部由無源元器件組成，例如波導、分波/合波器、光開關、可調光衰（VOA）等。無源PIC 技術相對簡單，目前最常用的是平面波導（planar lightwave circuit，PLC）技術，業界通常將PLC技術等同為無源PIC 技術。

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 探測器、調制器、光放大器等。目前多采用InP、GaAs 等化合物半導體為襯底材料，通過金屬有機物氣相外延（MOCVD）或分子束外延技術（MBE），結合刻蝕技術來實現集成。

2.混合集成：集成器件中包含了有源、無源器件，該技術需要在同一個襯底上制作無源、有源器件，因此該方法更加復雜。，它的優勢是能夠實現無源光波導與有源器件之間較自由的結合。然而，不同元器件間需要精密的位置調整與固定，加之不同材料在光學、機械和熱特性等方面存在差異，都將加重封裝的復雜性和成本，并限制集成規模。

相對而言，目前無源PIC 技術更為成熟，商用化程度較高，成本也相對更低，通常見到的AWG、基于PLC 的ROADM 都是無源PIC 技術的產物。

1.2光子集成發展及進展

圖1.光子集成發展歷程