微波光子集成芯片技術

錢 廣 錢 坤 顧曉文 孔月嬋 陳堂勝(南京電子器件研究所微波毫米波單片集成和模塊電路重點實驗室 南京 210016)

②(空軍裝備部駐南京地區(qū)第二軍事代表室 南京 210016)

1 引言

“微波光子學”是一門微波和光兩種技術相融合的新興交叉學科，被定義為利用電光和光電器件對微波頻段信號進行處理，并應用到微波系統及光通信系統等領域的技術，可實現傳統微波方法過于復雜或不易實現甚至根本無法實現的功能[1]。經過近30年的發(fā)展，微波光子技術已在雷達、衛(wèi)星通信、寬帶無線接入網、空天一體化信息系統等諸多領域呈現出巨大的應用潛力，將對現代信息技術的發(fā)展產生深遠影響。在雷達應用方面，更是受到了世界各國的重點關注。目前，美國、歐盟及俄羅斯等均針對該技術做了長遠的發(fā)展規(guī)劃，并投入了大量的人力與財力[2]。美國DARPA在20世紀80年代開始支持微波光子雷達研究，并形成了高線性模擬光鏈路、光控波束形成網絡和微波光子雷達射頻前端3個研究階段規(guī)劃。目前，美國DARPA的研究已經進入第3階段，設立了諸多項目，大大推動了微波光子雷達基礎技術的發(fā)展。歐盟以意大利芬梅卡尼卡集團為代表也針對微波光子雷達發(fā)展制定了4步走發(fā)展路線，并以全光的雷達為最終發(fā)展目標。2013年意大利國家光子網絡實驗室完成了全球首個結合微波光子多載波產生、發(fā)射和接收的光子雷達收發(fā)機，2014年將該工作發(fā)表于《Nature》[3]，在全球掀起了微波光子雷達研究的熱潮。俄羅斯也一直非常重視微波光子雷達研究，2014年俄羅斯政府以下一代雷達和電子戰(zhàn)系統為應用目標，開始資助“射頻光子相控陣”項目研究，旨在制造射頻光子相控陣雷達。我國在微波光子技術方面的研究起步較晚，但近年來在微波光子雷達器件及系統方面也取得了矚目的成就，研究單位包括國內諸多研究所和高校。

隨著對微波光子雷達研究的不斷深入，目前基于分立光電子器件構建的微波光子系統已經逐漸顯現出了其價格昂貴、功耗高、可靠性及穩(wěn)定性低等缺點，難以滿足微波光子雷達工程化應用需求。因此，微波光子雷達對微波光子器件提出了新的要求，即：在實現高速、大帶寬及大動態(tài)范圍同時，器件和系統還應具有尺寸小、重量輕、功耗低等特性[4—6]。集成化、芯片化已成為微波光子技術發(fā)展的必然趨勢。芯片集成不僅能大幅降低微波光子雷達系統體積和功耗、提升整體穩(wěn)定性，同時還能減小器件插入損耗、降低封裝成本。另外，集成化、小型化的微波光子器件更滿足大規(guī)模陣列化應用需求，這對微波光子相控陣雷達發(fā)展具有重要意義。

微波光子雷達需求的芯片主要包括光子集成芯片、微波電路芯片及驅動電路芯片等。若將微波光子集成芯片分為：單一功能光子集成芯片、多功能光子集成芯片和微波光子混合集成芯片3個層次，目前國外在第1層次單一功能光子集成芯片方面的研究比較成熟，但仍在不斷提高芯片性能，并研究新機理、新材料芯片；在第2層次芯片方面的研究比較早，且取得了不少令人矚目的成果；針對第3層次微波光子混合集成芯片方面的研究，還尚處于研發(fā)階段。與國外相比，國內起步較晚，多集中在第1層次芯片方面研究，與國外存在較大差距；在第2層次和第3層次芯片研究方面，國內研究都尚處于起步階段，研究單位相對較少，主要受限于芯片加工能力。在微波光子雷達需求的芯片中，微波電路芯片及驅動電路芯片相對發(fā)展比較成熟，但微波電路芯片的帶寬通常比較小，若能夠進一步提升，實現其與光子芯片的大帶寬匹配，則能在芯片層面更好地發(fā)揮微波光子技術的大帶寬優(yōu)勢。

總之，光子集成芯片技術和用于微波光子混合集成的光電集成芯片技術是目前能夠推動微波光子雷達功能組件小型化發(fā)展的關鍵技術。因此，本文以微波光子器件的集成化、芯片化需求為背景，介紹了目前InP基、Si基和鈮酸鋰基等常用材料體系及其異質異構集成的微波光子集成芯片技術，并對未來發(fā)展趨勢進行了展望。

2 光子集成芯片

目前，光子集成技術常用材料體系主要包括：InP基化合物材料、硅基材料、LiNbO3晶體材料和聚合物、石墨烯、等離子激元等新興材料，每種材料在光源、調制、探測、低損耗傳輸及大規(guī)模集成等方面均展現著各自獨特的優(yōu)勢。本節(jié)將主要介紹這幾種常用材料體系的光子集成芯片技術。

2.1 InP基光子集成芯片

InP基化合物材料在光源、放大、調制、探測、衰減和集成光傳輸中都可應用，是多功能材料體系。InP基化合物材料的折射率高，具有較強的光約束能力，可實現高集成度。另外，InP基化合物材料在單片電路中也具有廣泛應用，是光電混合集成的良好平臺。因此，InP基化合物材料在大規(guī)模光子集成中具有巨大優(yōu)勢，其發(fā)展前景被眾多研究人員看好。圖1即是InP基大規(guī)模光子集成芯片，可以實現眾多類型光子器件的單片集成。圖2為典型InP基集成光子器件芯片[7—12]：(a)激光器，(b)電光調制器，(c)光電探測器，(d)偏振旋轉器，(e)光耦合器，(f)陣列波導光柵(Arrayed Waveguide Grating,AWG), (g)光開關陣列。其中，激光器可實現大功率、低噪聲，調制器可以實現大帶寬、低半波電壓、高消光比，探測器可以實現大帶寬、高飽和、高響應度等，這些典型器件均能滿足微波光子技術需求，具有廣泛的應用。因此，InP基光子集成被認為是集成微波光子領域非常有前景的研究方向之一。

但是，InP基光子器件的材料及器件結構復雜，工藝難度較大，材料及加工成本高，在一定程度上限制了InP光子器件的大規(guī)模集成應用。圖3是典型InP光子器件的材料及波導結構示意圖?？梢钥闯觯m然InP基的光子器件芯片可采用同一InP材料體系，但不同光子器件的材料和器件結構還存在區(qū)別。按照器件類型不同，可將InP光子器件分為激光光源型、電光調制器型、深脊波導器件型、淺脊波導器件型和偏振旋轉器型[11]，或有源型光子器件和無源型光子器件。在InP光子芯片研究中，大規(guī)模光子集成一直是最終目標。為了實現InP有源型和無源型光子器件的單片集成，可采用材料多次外延技術，如圖4所示，將有源光子器件和無源光子器件區(qū)域的材料分區(qū)生長，統一制備。

圖1 InP基大規(guī)模光子集成芯片[11]Fig.1 InP?based large?scale photonic integrated chip[11]

圖2 典型InP基集成光子器件芯片[7—12]Fig.2 Typical InP?based photonic integrated chips[7—12]

圖3 典型InP基光子器件光波導結構示意圖[11]Fig.3 The optical waveguide structure of typical InP?based photonic devices[11]

此外，由于InP基光波導與光纖中的光模式在尺寸上存在較大差異，因此在芯片與光纖的耦合處會引入很大耦合損耗。該損耗是InP基光子器件插損的最大來源，同時也是影響InP光子器件是否滿足實際應用需求的主要因素之一。為了降低InP基光子芯片與光纖之間由模式失配造成的損耗，在光子芯片輸入/輸出端口需采用模式轉換結構[13—18]，常見結構如圖5所示?？梢钥闯?，每種模式轉換器的結構都比較復雜，具有較高的工藝難度，尤其是在垂直方向采用斜面過渡的模斑轉換結構(如圖5(a)，圖5(c)所示)。

2.2 Si基光子集成芯片

Si基光子芯片常用的材料是SOI(Silicon?On?In?sulator)[19]和SiN[20,21]，制備工藝成熟、材料成本低，在無源光子器件應用中具有非常明顯優(yōu)勢[22]。目前，基于成熟的硅基工藝，已經發(fā)展出了硅基光源[23—28]、調制器[29—35]、探測器[36—40]、集成OEO(Op?toelectronic Oscillator)[41]、濾波器[42—44]、光開關陣列[45,46]、延時器[47—49]等集成光子芯片，如圖6—圖8所示。目前，基于硅材料的光學器件研究已經逐漸發(fā)展出了一門專一的學科，即硅基光子學。在成熟SOI加工工藝帶動下，硅基無源光子器件發(fā)展迅速，功能較全面，研究已從單一功能芯片向多功能芯片發(fā)展。但硅基調制器的消光比還比較低，與傳統的鈮酸鋰調制器差距較大，且?guī)掃€需進一步提高。針對硅基光源的研究仍處于起步階段，還需進一步深入研究。另外，SOI光波導損耗比較大，通常為幾個dB/cm，無源器件的性能受到了一定限制。近年來，基于低損耗SiN光波導的無源器件得到了更廣泛的關注與研究[50—53]，其非常適用于波束形成、延時陣列等芯片，如圖9所示。

圖4 基于多次外延技術的InP基光子器件單片集成工藝[11]Fig.4 Monolithic integration of InP?based photonic devices based on the multi?epitaxial growth[11]

圖5 典型InP基光子器件模斑轉換器[13—16]Fig.5 Typical spot?size converter of InP?based photonic devices[13—16]

2.3 LiNbO3基光子集成芯片

LiNbO3材料具有優(yōu)越的電光性能，與InP基材料和Si基材料相比，LiNbO3材料的應用比較單一，主要集中在電光調制器[54—63]。基于LiNbO3材料的電光調制器[55,56,64]是目前發(fā)展最成熟的電光調制器類型，在微波光子技術中已得到廣泛應用。常用LiNbO3電光調制器芯片中的LiNbO3光波導通常采用質子交換或擴散工藝實現，工藝簡單，光模式面積大，與光纖耦合損耗低。目前，這種商用LiNbO3電光調制器的帶寬都可以大于60 GHz，半波電壓小于等于5 V。甚至，有文獻報道這種調制器可以實現約100 GHz的帶寬[65]。雖然，這種調制器的性能很好，但器件尺寸都非常大，通常有幾厘米的長度，難以與其它光子器件實現小型化集成，無法滿足微波光子系統未來小型化、集成化發(fā)展需求。近年，新發(fā)展出了一種基于LiNbO3薄膜材料的電光調制器，如圖10所示，該器件在帶寬和尺寸等方面均呈現出了優(yōu)于傳統LiNbO3體材料電光調制器的趨勢。但目前這種新型LiNbO3電光調制器還處于研發(fā)階段，將來會在微波光子領域發(fā)揮重要應用價值[66,67]。

圖6 Si基光子器件Fig.6 Si?based photonic devices

圖7 Si基集成OEO芯片[41]Fig.7 Si?based integrated OEO chip[41]

2.4 新型光子集成芯片

除了以上3種典型材料體系的集成光子芯片外，目前還出現了石墨烯、聚合物、等離子激元等新型材料體系的集成光子器件，且表現出了令人驚喜的性能，如圖11所示。例如：基于石墨烯材料的電光調制器[68—72]，帶寬可以達到幾十GHz；基于有機聚合物材料的集成光波導傳輸損耗低、制備工藝簡單、成本低廉，且熱光特性良好，在集成光子諧振腔及熱光開關方面都有廣泛應用[73—80]，其中聚合物電光調制器的帶寬可超過100 GHz[81]；等離子激元光波導對光具有很強的約束能力，能夠突破衍射極限，且具有光電復用等優(yōu)良特性，在微納集成光子器件領域應用前景廣闊。尤其，近年來還有研究人員將具有高電光系數的聚合物電光材料與狹縫等離子激元波導結合，實現了尺寸只有幾十微米，帶寬可超過70 GHz的超小型電光調制器，為實現高性能超集成電光調制器提供了非?？尚械募夹g途徑[82,83]。這些新技術為實現高性能集成微波光子器件提供了新方法，未來可能會在提升微波光子雷達性能方面發(fā)揮重要作用。

圖8 Si基光子器件Fig.8 Si?based photonic devices

圖9 SiN光子器件Fig.9 SiN photonic devices

2.5 異質光子集成芯片

圖10 LiNbO3基集成光子芯片Fig.10 LiNbO3?based integrated photonic chip

圖11 新型集成光子器件Fig.11 New integrated photonic devices

InP基材料、Si基材料和LiNbO3材料在微波光子器件中都具有廣泛應用，但不同的材料體系均具有各自的優(yōu)點和缺點。例如：InP材料非常適用于激光器、調制器和探測器，而且發(fā)展成熟，但光波導傳輸損耗大，不利于大規(guī)模的光子芯片集成；Si基光子器件集成度高、工藝成熟、成本低，但在光源、調制器方面的發(fā)展還不是很成熟；鈮酸鋰材料僅僅在電光調制器方面具有獨特優(yōu)勢，但在其他光子器件方面的應用還比較少。因此，利用同一材料實現多種光子器件的高性能單片集成，還存在一定的難度。異質異構集成技術可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)勢，是實現大規(guī)模多功能光子集成芯片的有效技術途徑。目前研究的異質光子集成技術主要是InP?Si光子集成、LiNbO3?Si光子集成和光子異構集成。

InP?Si光子集成主要是為了結合InP材料在激光器、調制器及探測器方面的優(yōu)勢和Si材料在無源光子器件方面的低成本及CMOS工藝兼容等優(yōu)勢。基于InP?Si光子集成方法，目前已經研制出了InP?Si異質集成電光調制器[84—86]、InP?Si異質集成激光器[87—90]、InP?Si異質集成光電探測器[91]和其它更復雜的多功能芯片，如圖12所示。

圖12 InP?Si光子集成器件Fig.12 InP?Si integrated photonic devices

圖13 傳統LiNbO3 (LN)光波導和常用LiNbO3?Si混合集成光波導結構示意圖[94]Fig.13 Structural diagrams of traditional LiNbO3 optical waveguide and common LiNbO3?Si hybrid integrated optical waveguides[94]

LiNbO3?Si光子集成的主要目的是為了同時發(fā)揮LiNbO3器件優(yōu)越的電光特性和Si基光子器件的各種優(yōu)勢。圖13展示了常見LiNbO3?Si混合集成光波導結構(圖13(b)—圖13(g))及其與傳統LiNbO3光波導結構(圖13(a))的區(qū)別[94]。目前，LiNbO3?Si光子集成方向的研究焦點主要是基于Si基LiNbO3薄膜材料(圖13(b)—圖13(e)，圖13(g))的電光調制器[95,96]。Si基LiNbO3薄膜材料的襯底為Si基材料，中間層為SiO2，上表層為納米厚度LiNbO3薄膜。Si基襯底材料可滿足基于CMOS工藝的大規(guī)模Si光子集成需求，納米級厚度的鈮酸鋰薄膜材料可以將光限制在很小的尺寸內，大大提高電光調制效率，縮短調制器尺寸。而且，中間層為SiO2的厚度可根據波速匹配需求靈活調整，這對提高調制器帶寬非常有利。因此，與傳統LiNbO3體材料相比，基于Si基LiNbO3薄膜材料的電光調制器能夠實現更優(yōu)異的性能指標。2018年哈佛大學研究團隊采用圖13(d)波導結構，成功研制出了帶寬高達100 GHz、半波電壓4.4 V、器件長度僅有5 mm的Si基LiNbO3薄膜電光調制器，如圖14所示，該成果發(fā)表于《Nature》，在光電子領域引起了針對該器件的研究熱潮[97]。2019年，中山大學研究人員又采用BCB材料實現了LiNbO3薄膜光波導與SOI光波導的混合集成[98]，研制出的電光調制器帶寬高于70 GHz，消光比達40 dB，器件整體插損僅有2.5 dB，如圖15所示。

InP?Si、LiNbO3?Si光子異質集成是基于芯片工藝實現不同材料或光子器件集成的一種技術。除了這種光子異質集成技術外，德國Christian Koos教授研究團隊[99—104]還開發(fā)出了一種和電路芯片中金絲互連技術類似的光絲互連技術(Photonic Wire Bonding, PWB)，該技術不僅可以實現不同光子芯片之間的互連集成，還可以實現光纖與光子芯片波導端口的耦合，如圖16所示。PWB中互連光波導的損耗可以小于3 dB，且受工作波長影響較小，是實現大規(guī)模光子集成的一種嶄新技術途徑。

圖14 基于Si基LiNbO3薄膜的電光調制器[97]Fig.14 Electro?optic modulator based on Si?based LiNbO3 film[97]

圖15 Si?LiNbO3混合集成電光調制器[98]Fig.15 Si?LiNbO3 hybrid integrated electro?optic modulator[98]

表1是以上介紹集成光子芯片技術中一些報道的集成光子器件及其性能。

3 光電混合集成芯片

光電混合集成是微波光子器件芯片發(fā)展的最終目標，目前實現這一目標的常見方案是基于引線互連的光電集成和光電單片集成。

基于引線互連的光電混合集成是最容易實現的一種，即直接采用金絲引線將光芯片與電路芯片的電極互連。2017年，日本研究人員[130]將InP光子芯片與跨阻放大電路芯片通過引線互連方式實現了光電混合集成光接收器芯片及模塊，如圖17所示，帶寬可達40 GHz。2016年德國研究人員[131,132]實現了InP周期分段型IQ電光調制器與驅動電路芯片的引線互連，信號傳輸距離可超過80 km，如圖18所示。

光電單片集成是將光芯片與電芯片集成到同一片上的技術，目前主要包括同片集成和異質異構集成2種。同片集成采用同一材料體系，在一個晶片上同時加工出光器件與電器件[133,134]。圖19是Ge?Si光電探測器與Si基TIA電路的單片集成。圖20是InP/InGaAs HBT和InP基光電探測器單片集成實現OEMMIC的方案。異質異構集成是通過鍵合和垂直互連技術將光子芯片和電路芯片堆疊集成到一起的技術，兩個芯片的材料體系可以相同也可以不同，材料選擇更加靈活，更能發(fā)揮每種材料本身的優(yōu)勢。圖21為InP基光子芯片和基于CMOS工藝的Si基電路芯片通過堆疊實現光電異質異構集成的結構示意圖[135]。

圖16 基于PWB技術的光子異質異構集成[104]Fig.16 Photonic heterogeneous integration based on PWB technology[104]

圖17 基于引線互連的光電混合集成接收器芯片及模塊[130]Fig.17 Hybrid optoelectronic integrated receiver chip and module based on wire bonding[130]

隨著微波光子雷達發(fā)展需求的不斷提升，光電集成化、芯片化已成為微波光子雷達器件的發(fā)展趨勢和迫切需求，包括光電集成收發(fā)前端芯片、光電集成振蕩器芯片、光電集成混頻器芯片、光電集成波束形成芯片等。例如：2014年，Pascual Munoz等人[6]就提出了集成微波光子收發(fā)前端的構想，如圖22所示。該芯片主要包含：激光光源(a)、可重構光信號調諧系統(b)、電光調制器(c)、光耦合器(d)和(f)、可重構光濾波器(e)、光電探測器(g)、RF放大器(h)、濾波器(i)、RF開關(j)、RF輸入端/輸出端口和光輸入/輸出端口等器件結構。該構想為集成微波光子收發(fā)前端的發(fā)展提供了框架。為了實現微波光子雷達器件芯片集成化目標，光電異質異構混合集成是一種有效的技術途徑，將對高性能、多功能微波光子雷達器件的研制起到重要推動作用。

表1 報道的一些集成光子器件及性能Tab.1 Some reported integrated photonic devices and their performances

續(xù)表

圖18 InP基周期分段型IQ電光調制器與驅動電路芯片的引線互連[132]Fig.18 Hybrid optoelectronic integrated between the InP?based IQ modulator and the driver circuit based on wire bonding[132]

圖19 Si基光電單片集成[133]Fig.19 Si?based optoelectronic monolithic integration[133]

4 結束語

微波光子技術是解決目前微波雷達裝備中諸多電子瓶頸問題的顛覆性技術，微波光子器件是推動微波光子雷達發(fā)展的關鍵。目前，集成化、芯片化及多功能化已是微波光子雷達系統對各器件的迫切需求，集成芯片技術是解決該需求的核心技術。在光子集成方面，能夠發(fā)揮各材料優(yōu)越特性的異質光子集成將是未來發(fā)展趨勢。在光電集成方面，近期采用引線互連方法更容易實現多功能、小型化光電集成微波光子功能模塊，但從長遠看，光電異質異構混合集成將是集成微波光子器件發(fā)展的必然趨勢，將在未來高性能微波光子器件雷達研制中發(fā)揮重要作用。

圖20 InP基光電單片集成[134]Fig.20 InP?based optoelectronic monolithic integration[134]

圖21 InP?Si光電異質集成[135]Fig.21 InP?Si hybrid optoelectronic integration[135]

圖22 多功能集成微波光子收發(fā)前端芯片概念框架[6]Fig.22 Conceptual structure of multifunctional integrated microwave photonic transceiver chip[6]