光子集成電路技術(shù)（PIC）簡述

韓敏娟 朱冬林

摘要：信息技術(shù)是推動(dòng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力，而集成電路則是信息產(chǎn)業(yè)的基石。二十世紀(jì)成就了電子集成電路技術(shù)，但大規(guī)模集成電路的摩爾定律已接近材料物理性能極限，這就引發(fā)出光子集成的研究，形成一項(xiàng)新的前沿高科技——光子集成，樂觀預(yù)測(cè)二十一世紀(jì)將可能成就光子集成電路技術(shù)（PIC）的繁榮發(fā)展。本文從PIC技術(shù)概述、技術(shù)原理、分類、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展方向等五個(gè)方面進(jìn)行簡述，以期對(duì)PIC行業(yè)研發(fā)及生產(chǎn)帶來借鑒意義。

關(guān)鍵詞：集成電路;PIC;光子集成電路;光電子

一、PIC技術(shù)概述

在硅基光電子之前，用來做光器件的多為III/V族材料（如銦、砷）。但I(xiàn)II/V族材料存在兩個(gè)方面的問題：一、材料成本較高且有毒性，例如砷元素，其實(shí)是砒霜的主要成分，而硅是地球上除了氧之外含量最高的元素，原材料成本非常低;再加上現(xiàn)在成熟的電路都是用硅基實(shí)現(xiàn)的，基于硅材料的集成電路產(chǎn)業(yè)鏈非常完善發(fā)達(dá)。二、生產(chǎn)工藝尚不成熟，產(chǎn)能及產(chǎn)品良率無法與基于硅的集成電路強(qiáng)大及成熟的產(chǎn)業(yè)鏈相提并論。

PIC （Photonic Integrated Circuit：光子集成電路）的概念與電子集成電路的概念類似，只不過電子集成電路集成的是電子器件，而PIC集成的是各種不同的光學(xué)器件或光電器件。PIC集成相對(duì)于傳統(tǒng)OEO（光電光）的模式處理，降低了生產(chǎn)成本和器件復(fù)雜性，提高了產(chǎn)品可靠性并減小了體積，能夠以更低的成本構(gòu)建一個(gè)具有更多節(jié)點(diǎn)的全新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，成為了光器件的主流發(fā)展方向，是光纖通信最前沿和最有前途的領(lǐng)域。

二十世紀(jì)成就了電子集成電路技術(shù)，而二十一世紀(jì)將成就光子集成電路技術(shù)。大規(guī)模集成電路的摩爾定律已經(jīng)接近材料物理性能極限，這就引發(fā)出光子集成的研究，從而形成一項(xiàng)新的前沿高科技——光子集成。光子集成采用合適的光學(xué)平臺(tái)、微納加工技術(shù)、高速率的發(fā)射、傳輸與探測(cè)等實(shí)現(xiàn)單片集成和混合集成，從而能夠?qū)崿F(xiàn)大容量和低能耗的信息傳輸。

二、PIC技術(shù)原理

光子集成技術(shù)的理論基礎(chǔ)是光子學(xué)，光子集成芯片具有三維結(jié)構(gòu)，比二維結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體集成要復(fù)雜得多，光子集成電路技術(shù)主要是指圍繞特定的功能要求，在同一襯底（基片）上進(jìn)行多次外延、光刻、沉積和刻蝕等工藝制作所有功能單元的技術(shù)。把光子器件融入微電子平臺(tái) ，可以結(jié)合光子和電子兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，將打破傳統(tǒng)微電子技術(shù)在功耗與速度等方面的技術(shù)瓶頸，滿足不斷提升的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用需求，將可應(yīng)對(duì)當(dāng)前信息產(chǎn)業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。

目前PIC技術(shù)突破的關(guān)鍵體現(xiàn)在以下幾方面：一是PIC采用何種材料及何種工藝來實(shí)現(xiàn);二是不同的光器件往往使用不同的襯底材料，PIC如何將不同材料的光器件實(shí)現(xiàn)集成及如何在同一襯底材料上實(shí)現(xiàn)所有的光器件功能;三是PIC如何提高大規(guī)模生產(chǎn)能力;這些方面將是降低PIC成本和實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用的關(guān)鍵。

三、PIC的分類

按照實(shí)現(xiàn)集成的技術(shù)方式分類，可以將PIC分為單片集成PIC（Monolithic Integration）和混合集成PIC（Hybrid Integration）。單片集成PIC無論是在節(jié)能還是在可靠性等方面，相比混合PIC都具有明顯的優(yōu)勢(shì)?；旌霞蒔IC指的是將不同的單個(gè)功能的光器件集成在同一個(gè)器件中的技術(shù)模式。許多常見的光器件都利用混合集成的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，然而由于各材料自身的不同特性，有源與無源光器件所采用的最佳材料并不一致，各方面物理特性以及封裝要求也會(huì)有所差別，這樣就使得集成多個(gè)分立元器件并保證器件綜合性能變得異常復(fù)雜，尤其是在實(shí)現(xiàn)大規(guī)?；旌霞蒔IC時(shí)這個(gè)問題尤為突出。

按照器件類別分為無源和有源兩大類。無源PIC，也稱為全光PIC，這種PIC所集成的器件全部是無源光器件，普遍采用平面光波導(dǎo)技術(shù)（Planar Lightwave Circuit，PLC），發(fā)展相對(duì)成熟。有源PIC也稱之為光電PIC，這種PIC可以集成有源光器件，同時(shí)還可以集成無源光器件。

按照基底材料分類，現(xiàn)有PIC研發(fā)路徑所采用的基底材料主要分為硅及二氧化硅、鈮酸鋰（LiNbO3）、砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）等。首先是硅及二氧化硅，它們是生產(chǎn)電子集成電路所用的基礎(chǔ)材料，其價(jià)格相對(duì)便宜且性能穩(wěn)定，加工工藝簡單成熟，成品率高，非常適合規(guī)?；a(chǎn)。但是硅基材料在PIC中應(yīng)用時(shí)卻有三個(gè)致命的缺點(diǎn)：一是激光發(fā)射效率很低，硅基激光器非常難以實(shí)現(xiàn);二是硅基材料不能夠檢測(cè)到1310nm和1550nm波長的光，而這兩個(gè)波段正是光通信所采用的波段;三是由于硅基材料本身的限制，無法實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。其次是鈮酸鋰晶體，鈮酸鋰晶體主要用于制作高性能的電光調(diào)制器，其調(diào)制帶寬高，調(diào)制線性度好，受到了廣泛應(yīng)用。但是鈮酸鋰晶體不能實(shí)現(xiàn)激光激射，也不能作為光探測(cè)器，同時(shí)其加工處理工藝也非常復(fù)雜，因此對(duì)于大規(guī)模PIC來說，鈮酸鋰晶體暫時(shí)并未發(fā)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。雖然有源光電器件能夠在砷化鎵材料中實(shí)現(xiàn)，但是砷化鎵材料的本征帶隙決定了它只能夠在波長為850nm的范圍內(nèi)工作，其應(yīng)用受到很大限制。僅有磷化銦材料能夠同時(shí)集成有源與無源光器件，并且保證其工作波長為目前光通信廣泛使用的1310nm和1550nm波段;同時(shí)可以利用成熟的標(biāo)準(zhǔn)化半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，便于節(jié)約成本。因此，這就使得通過利用磷化銦材料實(shí)現(xiàn)大規(guī)模單片PIC生產(chǎn)及應(yīng)用成為可能。

四、PIC技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

光電子集成技術(shù)比集成電路技術(shù)更復(fù)雜，研發(fā)及生產(chǎn)難度更大。PIC集成需要包含更多類別的光子和電子器件，在光源選用、工藝兼容和大規(guī)模制備等方面依然面臨著諸多短時(shí)間內(nèi)難以應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)。目前光子技術(shù)主要應(yīng)用在光通信、光感知和光計(jì)算領(lǐng)域，而光通信是這三者當(dāng)中應(yīng)用最為廣泛的，光計(jì)算還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，距離大規(guī)模商用尚有一段距離。

國際上目前在光子集成研發(fā)方面取得了一定的技術(shù)進(jìn)展，但光電融合技術(shù)的研究工作大多還停留在工藝和器件等物理結(jié)構(gòu)的融合方面，總體處于類似“單個(gè)晶體管”的時(shí)代。如下圖所示 ，目前光電融合系統(tǒng)正處于從器件和集成技術(shù)到回路技術(shù)的過渡階段，下一階段必須發(fā)展與集成電路類似的信號(hào)回路技術(shù)，方可逐步邁向大規(guī)模光電融合階段。因此，光與電相融合的信號(hào)回路技術(shù)是光電融合的新挑戰(zhàn)。當(dāng)然，集成電路的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)無疑也可以對(duì)光電融合集成回路的發(fā)展提供重要的技術(shù)借鑒。

光子芯片技術(shù)已經(jīng)由硅光子集成技術(shù)向納米光子學(xué)范疇邁進(jìn)。在材料方面，石墨烯等先進(jìn)材料的研究也有望將光子芯片技術(shù)的應(yīng)用推向新的高度。隨著光子技術(shù)的不斷發(fā)展，光子技術(shù)將幫助突破計(jì)算機(jī)電子技術(shù)的局限;尤其通過大幅增加數(shù)據(jù)容量和提高數(shù)據(jù)傳輸速度，光子技術(shù)將推動(dòng)通信行業(yè)進(jìn)入太比特時(shí)代，同時(shí)還可降低碳足跡和單位成本。

五、PIC技術(shù)發(fā)展方向

在技術(shù)和市場(chǎng)方面，PIC近幾年取得了突破性的進(jìn)展。但是PIC無論從集成度、性能還是成本方面與電子集成電路相比較，都還存在巨大的差距。PIC將來的發(fā)展方向?qū)⒅饕性谝韵聨讉€(gè)方面。

（1）繼續(xù)采用磷化銦材料作為襯底開展大規(guī)模PIC技術(shù)研究

雖然采用磷化銦作為襯底有其自身的缺點(diǎn)，但行業(yè)內(nèi)各公司正在努力研發(fā)使得磷化銦成為唯一能夠?qū)崿F(xiàn)PIC大規(guī)模商用的材料。從可預(yù)見的情形看，硅基光子學(xué)在未來的幾年內(nèi)可能較難取得突破性進(jìn)展。從技術(shù)角度看，采用磷化銦作為襯底材料也面臨著較多的技術(shù)難題，如何提高集成度、提高芯片性能以及如何進(jìn)一步簡化工藝、降低成本等都是需要繼續(xù)研究的重點(diǎn)。

（2）硅基大規(guī)模PIC技術(shù)研究

硅基材料在電子集成電路中應(yīng)用廣泛，電子集成電路產(chǎn)業(yè)成熟的規(guī)?；a(chǎn)工藝和低廉的成本對(duì)PIC來說都是巨大的誘惑。硅基電子集成電路不僅取得了商業(yè)上的巨大成功，更是深刻地改變了現(xiàn)代社會(huì)人類的生活方式。硅基PIC研究方向?qū)⒅饕性谕ㄟ^混合集成的方式實(shí)現(xiàn)硅基有源光器件，其中可重點(diǎn)研究如何利用現(xiàn)有成熟的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)PIC集成。

（3）集成光邏輯器件技術(shù)研究

集成光邏輯器件是實(shí)現(xiàn)真正光子電路必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。集成光邏輯器件的研究目前仍處于基礎(chǔ)研究階段，能夠?qū)崿F(xiàn)的邏輯水平與電子邏輯器件相比相差甚遠(yuǎn)。只有集成光邏輯器件的技術(shù)研究取得突破性進(jìn)展，才有可能真正實(shí)現(xiàn)與當(dāng)今電子集成電路類似真正意義上的光子電路技術(shù)的發(fā)展。

結(jié)論

光電融合是后摩爾時(shí)代的重要技術(shù)發(fā)展方向，被普遍認(rèn)為是推動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的有效方案。 隨著光電器件及其集成技術(shù)逐步走向成熟，行業(yè)將邁入光電融合集成回路研究的下一階段。 目前光電融合技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)非常關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折階段，研發(fā)及生產(chǎn)中借鑒引入電子集成電路的技術(shù)途徑勢(shì)必將加速光電融合技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，可以預(yù)見將為行業(yè)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來較好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng)。對(duì)于光子集成電路技術(shù)（PIC）從技術(shù)概述、技術(shù)原理、分類、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展方向等五方面進(jìn)行必要的整理簡述，也將具有較為重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]小林功郎.光集成器件.[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[2]關(guān)旭東.硅集成電路工藝基礎(chǔ).[M].北京：北京大學(xué)出版社，2003.

[3]馮佩珍.光集成技術(shù)概述.[J]光通信研究.1989，（3）：48-56.

[4]郭玉彬，霍佳雨.光纖激光器及其應(yīng)用.[M].北京：科學(xué)出版社，1990.

[5]汪相.晶體光學(xué).[M].南京：南京大學(xué)出版社，2003.