吳冰冰，趙文玉，張海懿

（工業(yè)和信息化部電信研究院通信標準研究所 北京 100191）

1 引言

光器件是光通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心，最能夠代表一個國家在光通信技術(shù)領(lǐng)域的水平和能力。光子集成（photonic integrated circuits，PIC）是指將多個光器件集成在一起的技術(shù)，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(yōu)勢，是未來光器件的主流發(fā)展方向[1,2]。近年來，隨著技術(shù)的逐漸積累以及產(chǎn)業(yè)需求的旺盛，PIC進入較快發(fā)展時期，并被譽為光通信產(chǎn)業(yè)革命在未來10年中的核心部分和最大貢獻者。本文首先對PIC的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀展開研究，在此基礎(chǔ)上分析PIC面臨的主要挑戰(zhàn)和未來應用前景，并探討我國PIC技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的策略建議。

2 技術(shù)發(fā)展研究

2.1 實現(xiàn)分類

從不同角度看，PIC有多種分類方式，如圖1所示。根據(jù)集成的元器件是否具有相同功能，PIC可分為水平集成和垂直集成。水平集成是將多個相同功能的元器件集成在同一襯底上，形成陣列，以實現(xiàn)小型化；垂直集成是將不同功能的元器件集成在同一襯底上，實現(xiàn)小型化、低成本、低損耗和高可靠性。從材料選擇上講，水平集成更容易實現(xiàn)單片集成，隨著器件功能的增多，對于單一材料的限制越來越苛刻，垂直集成實現(xiàn)單片集成的難度越來越大。

圖1 光子集成的實現(xiàn)分類

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?；旌霞墒菍⑹褂貌煌牧稀⒉煌谱鞴に囍圃斐鰜淼脑骷M合安裝在同一襯底上，它的優(yōu)勢是能夠?qū)崿F(xiàn)無源光波導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、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(guī)模[3]。單片集成是經(jīng)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(shù)，實現(xiàn)起來有較大技術(shù)難度，但具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、功耗低、可靠性強等優(yōu)勢，是PIC的發(fā)展方向。表1對比了兩種集成形式以及分立器件組合的差異。目前在光通信系統(tǒng)中混合集成和單片集成器件都在使用，前者使用較多，單片集成也已經(jīng)進入量產(chǎn)。

表1 混合集成與單片集成的差異對比

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個以內(nèi)、10～50個和超過50個[4]。大規(guī)模PIC是未來主流的發(fā)展方向。

2.2 材料及制作工藝

光子集成的材料豐富多樣，主要包括以下幾類：鈮酸鋰(LiNbO3)晶體、聚合物、光學玻璃、絕緣硅（SOI）、二氧化硅/硅(SiO2/Si)、氮氧化硅/二氧化硅(Si3N4/SiO2)以及Ⅲ-V族化合物半導體。鈮酸鋰晶體具有較好的電光調(diào)制特性，主要應用于高速光調(diào)制器，但不能實現(xiàn)激光激射和探測。聚合物波導的熱光系數(shù)較高，適合于制備熱光調(diào)制的動態(tài)器件，可大幅降低功耗。玻璃波導具有較低的傳輸損耗和與光纖的耦合損耗，成本低廉，是目前平面光波導（PLC）光分路器的主要材料。硅材料和Ⅲ-V族材料對實現(xiàn)大規(guī)模PIC更有優(yōu)勢，圖2總結(jié)了幾種材料的特性以及匹配的光器件[5]。硅材料在電子集成電路中應用廣泛，成本低廉、性能穩(wěn)定、工藝成熟，適合規(guī)模化生產(chǎn)。在PIC領(lǐng)域，由于硅是間隙能帶材料，禁帶寬度較大，發(fā)光效率和光電效應很弱，目前主要應用于無源器件[6～8]，基于硅材料的探測器、調(diào)制器等有源器件近幾年也取得了一定突破[9～11]。硅有源器件最大的挑戰(zhàn)是制作通信波段的光源，目前尚沒有確定的技術(shù)路線，Intel等研究機構(gòu)嘗試采用受激拉曼輻射等方法實現(xiàn)硅基激光器，但由于受到雙光子吸收誘導自由載流子增加，波導吸收損耗變大，無法實現(xiàn)高效的自激放大[12,13]。砷化鎵（GaAs）主要應用于850 nm波長范圍，適用于局域網(wǎng)，在長距離、大容量傳輸系統(tǒng)應用中受到限制。磷化銦（InP）是稀有材料，外延片尺寸也小于硅材料，目前普遍采用的InP外延片為2英寸和3英寸，而電子集成電路中硅晶圓直徑已達到12英寸，Intel、TSMC和Samsung在2012年入股光刻機廠商ASML，正在聯(lián)合研發(fā)18英寸硅晶圓生產(chǎn)技術(shù)。雖然InP在成本、規(guī)模化生產(chǎn)能力方面遜色于硅，但它是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)通信波長大規(guī)模單片集成的材料。綜上所述，由于不同的器件功能對所用材料的性能要求有較大差別，器件的工作機理和結(jié)構(gòu)也大不相同，在PIC領(lǐng)域尚未找到一種理想的基礎(chǔ)材料，能夠像電子集成電路中采用硅材料那樣眾望所歸。

圖2 光子集成材料的特性及匹配器件（+為最佳匹配器件）[5]

在制作工藝方面，鈮酸鋰和玻璃波導主要基于擴散、離子交換或質(zhì)子交換工藝。硅材料和Ⅲ-V族化合物半導體主要基于半導體制造工藝。硅材料的制備技術(shù)主要包括：熱氧化和等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）工藝。Ⅲ-V族化合物半導體材料制備技術(shù)主要包括：傳統(tǒng)的氣相外延（VPE）、液相外延（LPE）、分子束外延（MBE）和金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）工藝，其中，MOCVD由于生產(chǎn)設(shè)備相對簡單、造價低、可按任意比例控制合成材料、適合規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)勢，得到學術(shù)和產(chǎn)業(yè)界的廣泛認同。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

除了基礎(chǔ)的材料制備技術(shù)之外，PIC的關(guān)鍵技術(shù)還體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）功能單元微結(jié)構(gòu)制作和波導連接技術(shù)

將不同材料的功能單元集成到一起或在同一襯底材料上同時實現(xiàn)多種功能單元，一直是PIC技術(shù)的關(guān)鍵和難點，涉及很多結(jié)構(gòu)與工藝的兼容性問題。PIC設(shè)計時也不能拘泥于追求單個功能單元的具體性能指標，要力爭整體性能最大化。功能單元的微結(jié)構(gòu)制作技術(shù)主要包括濕法腐蝕和干法刻蝕。此外，不同功能波導間的連接需要具有低損耗和折射率匹配特性，在外延片的不同區(qū)域生長帶隙不同的半導體材料是PIC的基礎(chǔ)工藝之一。目前，波導連接技術(shù)主要包括波導對接生長[14]、選擇區(qū)域生長[15]和量子阱混雜[16]等。

（2）硅基光子集成和混合集成技術(shù)

根據(jù)有源器件的實現(xiàn)方式，硅基PIC可分為單片集成和混合集成兩種。硅基單片集成通常會用到硅上鍺材料，例如鍺—硅調(diào)制器和鍺光探測器[10,11]，因而硅上長鍺是其重要基礎(chǔ)工藝，由于兩者之間存在4%的晶格失配，鍺生長過程中容易產(chǎn)生缺陷，進而降低器件的性能?；旌霞墒菍⒕哂胁煌δ?、不同材料的芯片，如Ⅲ-V族激光器、調(diào)制器、探測器，通過焊接或鍵合技術(shù)在物理上與硅材料組成一個整體。目前，鍵合技術(shù)主要有晶圓級鍵合[17]和芯片級鍵合[18]兩種方式，前者具有大規(guī)模加工和生產(chǎn)的優(yōu)勢，后者具有成本低、易于操作的優(yōu)點，但也存在精度低、難批量生產(chǎn)的限制。

（3）光電集成電路（OEIC）技術(shù)

在一枚芯片上同時集成光和電是業(yè)界追求的終極目標。OEIC的技術(shù)要求比PIC更為苛刻，需要在同一襯底材料上對光、電功能單元同時進行優(yōu)化，存在著結(jié)構(gòu)設(shè)計、前后工序之間的相容性問題。OEIC整體上仍處于研究開發(fā)階段,目前主要應用于集成有源器件及其外部驅(qū)動電路。

3 產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究

3.1 產(chǎn)業(yè)發(fā)展驅(qū)動力

總體上說，PIC是為滿足市場對低功耗、低成本、高密度和高可靠性的需求而出現(xiàn)的，其中，低成本是最根本的驅(qū)動力。器件、模塊商通過PIC可降低封裝、耦合等制造成本；運營商通過PIC可降低功耗、機房占用面積、系統(tǒng)開通和升級難度等運維成本。在細分領(lǐng)域，大容量高帶寬光傳輸、小型化低成本光接入、高密度高帶寬光互聯(lián)是目前PIC產(chǎn)業(yè)最強勁的驅(qū)動力。

（1）大容量、高帶寬光傳輸

傳統(tǒng)的WDM系統(tǒng)普遍采用分立元器件，隨著網(wǎng)絡擴容，器件的數(shù)量和功耗都大幅提高。PIC能夠在增加WDM系統(tǒng)帶寬的同時，降低單位成本和功耗[19]。在100 Gbit/s領(lǐng)域，Infinera提出的10×10 Gbit/s PIC方案雖未獲得廣泛支持，但已鋒芒初露，掀起業(yè)界的PIC研發(fā)熱潮。隨著速率提升至400 Gbit/s和1 Tbit/s，調(diào)制碼型將更為復雜，系統(tǒng)對高集成度、低功耗和低成本的需求更加迫切?？v觀IEEE/ITU-T標準制定、主流設(shè)備商樣機研制、典型運營商現(xiàn)網(wǎng)試點等諸多400 Gbit/s技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)，400 Gbit/s實現(xiàn)商用的可能性不斷增加，預計到2016年左右，市場定位將逐步清晰，屆時設(shè)備商將會考慮大量采用PIC技術(shù)。

（2）低成本、小型化、高可靠性光接入

目前，用戶終端（ONU）成本占據(jù)FTTH端到端有源設(shè)備成本的90%以上，終端成本過高將成為FTTH普及部署的一大障礙。PIC可以滿足ONU小型化、低成本、高可靠性的發(fā)展需求，在未來FTTH部署中發(fā)揮重要作用。同時，基于PLC的光分路器和AWG無源光器件已普遍應用于寬帶接入領(lǐng)域，并有逐步向城域及骨干網(wǎng)延伸的趨勢。

（3）高密度、高帶寬光互聯(lián)

云計算的發(fā)展極大地促進了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡流量的快速增長，板卡間電互聯(lián)面臨帶寬、時延和功耗等諸多挑戰(zhàn)，光互聯(lián)已成為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ奶娲桨?。光互?lián)對尺寸、功耗和成本都非常敏感，正是PIC的用武之地。另一方面，隨著微處理器性能呈指數(shù)增長以及電子集成電路技術(shù)日益逼近極限，計算機系統(tǒng)內(nèi)部通信速度和帶寬落后于處理器芯片運算速度的趨勢不斷擴大，芯片的提速需要芯片間和芯片內(nèi)的通信速度大大加快，PIC的應用范圍將進一步擴大到芯片間和芯片內(nèi)部互連。

3.2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

PIC的概念最早由貝爾實驗室的Miller S E在1969年提出[20]，受制于固有技術(shù)問題，PIC商品化的進程十分緩慢。概念提出25年后，才出現(xiàn)了只集成無源器件的小規(guī)模PIC產(chǎn)品。35年后，大規(guī)模PIC才取得重要突破，代表性產(chǎn)品即Infinera的100 Gbit/s光發(fā)射和接收芯片。近幾年，隨著技術(shù)的逐漸積累以及產(chǎn)業(yè)需求的旺盛，PIC產(chǎn)業(yè)才進入較快發(fā)展時期。目前，中小規(guī)模PIC已經(jīng)成熟并取得廣泛商用，常見的產(chǎn)品主要有無源PIC，如光分路器、AWG、光開關(guān)陣列、VOA陣列等以及有源PIC，如激光器與電吸收調(diào)制器集成產(chǎn)品（EML）、激光器與馬赫—曾德爾調(diào)制器集成產(chǎn)品、激光器陣列和探測器陣列等，F(xiàn)inisar、JDSU、NeoPhotonics等業(yè)界主流的光器件廠商均有成熟產(chǎn)品。Infinera是大規(guī)模PIC技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的引領(lǐng)者，其第三代產(chǎn)品已達到500 Gbit/s的速率，可實現(xiàn)超過600個元器件的單片集成，下一代產(chǎn)品將瞄準1 Tbit/s[22]。圖3為光子集成發(fā)展歷程。

在市場方面，北美地區(qū)PIC的需求比例最大，占有全球40%的份額；歐洲地區(qū)位列第二；亞太地區(qū)增長較快，年復合增長率高達35%。PIC的參與企業(yè)涵蓋多個領(lǐng)域，主要包括：Infinera、Alcatel-Lucent、華為、Ciena、Cisco等系統(tǒng)設(shè)備制造商，OneChip Photonics、Enablence、Finisar、JDSU、NeoPhotonics、Avago、Emcore、Oclaro、Luxtera、KAIAM、Aifotec等芯片/器件/模塊制造商以及Mellanox、Intel、IBM等解決方案和綜合服務提供商。從材料體系上劃分，主流PIC企業(yè)分為InP和Si兩大陣營，以Infinera和OneChip Photonics為代表的公司力推InP基PIC，并在產(chǎn)品和市場方面取得了較大突破，代表性產(chǎn)品如Infinera和OneChip Photonics分別推出的光發(fā)射/接收芯片。另一方面，以Luxtera、Intel、IBM和Cisco為代表的公司則認為Si基PIC最具成本和規(guī)模效益，將光子和微電子技術(shù)融合，可以使全球歷時數(shù)十年，投入數(shù)千億美元打造的微電子制造基礎(chǔ)設(shè)施及技術(shù)積累投入PIC領(lǐng)域，大幅提高PIC產(chǎn)業(yè)水平。代表性技術(shù)產(chǎn)品如Luxtera公司推出的基于CMOS工藝的AOC芯片，Cisco推出的應用于100 Gbit/s客戶側(cè)的CPAK光模塊以及Intel公司致力研發(fā)的混合集成激光器和芯片級光互聯(lián)技術(shù)。目前硅基PIC的市場規(guī)模較小，主要發(fā)展障礙依然是固有技術(shù)問題，且在短期內(nèi)難有實質(zhì)性的突破。

圖3 光子集成發(fā)展歷程

4 發(fā)展挑戰(zhàn)、前景與策略

PIC在技術(shù)和產(chǎn)業(yè)方面已取得了一定進展，但在大規(guī)模生產(chǎn)能力、集成度和規(guī)模商用方面仍然存在很多挑戰(zhàn)，與電子集成電路有一定差距。首先，電子集成電路由于功能單元結(jié)構(gòu)一致，制作工藝相同，隨著硅材料工藝和微細加工技術(shù)的進步，發(fā)展速度較快；而PIC各個功能單元對材料和結(jié)構(gòu)的要求都不盡相同，缺乏像電子集成電路那樣標準化的設(shè)計和制作工藝。其次，PIC產(chǎn)品的一致性要求較高，功能越復雜要求越苛刻，在生產(chǎn)的重復性和流程控制方面也無法與電子集成電路比擬，導致成品率較低且價格昂貴。另外，PIC與電子集成電路的集成度同比相差106～107倍，電子集成電路技術(shù)在22/20 nm工藝制程之前，基本沿Moore定律預測發(fā)展，“特征尺寸”不斷減小，集成規(guī)模急劇增加，價格同步快速下降，而PIC目前尚無明確的發(fā)展路線圖或時間表。最后，PIC目前的規(guī)?；袠I(yè)應用不足，高昂的研發(fā)成本和較長的研發(fā)周期致使進入該領(lǐng)域的企業(yè)有限，產(chǎn)業(yè)鏈較為薄弱。

盡管PIC目前仍處于初級發(fā)展階段，但其成為光器件的主流發(fā)展趨勢已成必然，近幾年的發(fā)展速度亦有目共睹。隨著基礎(chǔ)材料制備、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計、核心制作工藝等核心關(guān)鍵技術(shù)的突破，加之產(chǎn)業(yè)需求的急劇升溫，特別是光互聯(lián)、超100 Gbit/s高速傳輸系統(tǒng)和FTTH接入終端對小尺寸、低功耗和低成本的強勁驅(qū)動，PIC在未來幾年將迎來更快的發(fā)展，集成度和大規(guī)模生產(chǎn)能力逐步提升，成本不斷下降，產(chǎn)業(yè)鏈進一步完善，并引發(fā)光器件、系統(tǒng)設(shè)備，乃至網(wǎng)絡和應用的重大變革。

硅光子是近年來光通信學術(shù)和產(chǎn)業(yè)界研究的熱點，硅基PIC目前主要應用于無源光器件，有源器件仍然以混合集成為主，全硅單片集成的實現(xiàn)尚需時日。目前硅基PIC主要面向數(shù)據(jù)中心的短距離互聯(lián)，在長距高速應用中，將會遇到波長穩(wěn)定性等技術(shù)挑戰(zhàn)。近期來看，硅基PIC將成為光子集成領(lǐng)域不可缺少的一部分，但取得顛覆性突破的可能性不大。InP材料雖然在成本、規(guī)?；a(chǎn)能力方面遜色于硅，但它是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)通信波長大規(guī)模單片集成的材料，在未來一段時間內(nèi)，特別是在長距高速傳送領(lǐng)域，將具有旺盛的生命力。

目前，全球多個國家都在對PIC進行大力投入，成果較為突出的研究機構(gòu)集中在歐洲、美國和日本。在我國，PIC也得到了越來越多的重視，相繼獲得多項國家重大科研計劃的支持，在基礎(chǔ)理論方面取得了一定進展。然而，受技術(shù)水平和工藝條件的限制，國內(nèi)的研發(fā)主體主要集中在中科院半導體所、微電子所、光迅、華為、成都馬爾斯、上海圭光等少數(shù)研究機構(gòu)和企業(yè)，技術(shù)研究與實用化方面與國外存在較大差距。長期以來，光器件一直是我國光通信產(chǎn)業(yè)的短板，核心、高端產(chǎn)品依賴進口，是亟待解決的戰(zhàn)略性和基礎(chǔ)性問題。光子集成是光器件，乃至整個光通信產(chǎn)業(yè)革命的核心部分，我國應抓住這一技術(shù)產(chǎn)業(yè)變革契機，布局人才儲備，注重基礎(chǔ)工藝積累，推進PIC核心技術(shù)的研發(fā)與突破。一方面，從國家層面應對PIC予以積極扶植和大力投入，提供良好的政策環(huán)境；另一方面，企業(yè)等研發(fā)主體也應積極拓展融資渠道，形成發(fā)展合力，強壯PIC產(chǎn)業(yè)群體，從而大幅提升我國光器件國產(chǎn)化水平和自主創(chuàng)新能力。

5 結(jié)束語

光子集成是未來光器件的主流發(fā)展方向，經(jīng)過多年積累已取得較大進展，很多產(chǎn)品被成功開發(fā)并應用，近幾年進入快速發(fā)展時期。本文首先從技術(shù)和產(chǎn)業(yè)兩個層面對PIC展開全面研究。在技術(shù)層面，總結(jié)并比較了PIC的不同分類方式；對PIC的材料特性、制作工藝以及每種材料適合制備的光器件種類進行了探討；分析了PIC的關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)難點。在產(chǎn)業(yè)層面，討論了PIC的產(chǎn)業(yè)發(fā)展驅(qū)動力，重點介紹PIC在傳送網(wǎng)、接入網(wǎng)和光互聯(lián)領(lǐng)域的迫切需求。其次，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程、產(chǎn)品種類、市場應用和主要參與企業(yè)等多個角度梳理了PIC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。最后，分析了PIC目前面臨的主要挑戰(zhàn)和未來應用前景，并探討我國PIC技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的策略建議。

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