大規(guī)模光子集成技術(shù)研究

引言：本文對(duì)大規(guī)模光子集成技術(shù)進(jìn)行了研究，包括光子集成技術(shù)現(xiàn)狀以及潛在應(yīng)用。由于光子集成技術(shù)，低成本、綠色節(jié)能、高速率大容量的光通信也成為可能。

一、前言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信的快速發(fā)展，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需要急劇增加。光纖通信的問世，使得高速率、大容量的通信成為可能。傳統(tǒng)來(lái)說，受限于技術(shù)以及成本，光網(wǎng)絡(luò)的核心器件，如激光器、調(diào)制器、放大器、耦合器等都是采用分立的方式，然而隨著光纖通信網(wǎng)絡(luò)容量的進(jìn)一步增加，光網(wǎng)絡(luò)的核心器件若依舊采用分立的方式進(jìn)行生產(chǎn)和使用的話，將使得通信系統(tǒng)在體積、能耗、成本上急劇增加；此外，云計(jì)算的深入推進(jìn)給數(shù)據(jù)中心帶來(lái)新機(jī)會(huì)的同時(shí)，也給光通信產(chǎn)品提出了新的需求。這種新需求表現(xiàn)為數(shù)據(jù)中心內(nèi)互聯(lián)應(yīng)用對(duì)低成本和低功耗的需求。在采取超高速方式互聯(lián)時(shí)，通常距離要求并不高，對(duì)于光系統(tǒng)的線路性能要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于干線和城域應(yīng)用，但是對(duì)于光口密度、成本和功耗則比較敏感。類似于集成電路IC技術(shù)，光子集成技術(shù)（Photonic integrated circuit， PIC）能夠在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能的光電子器件，被認(rèn)為是最有可能解決這些問題的方案。美國(guó)的英飛朗公司（Infinera Corporation）于2004年第一次實(shí)現(xiàn)了商用化的10×10Gbit/s的光子集成芯片，拉開了光子集成芯片商業(yè)化的序幕。我國(guó)的光電子核心芯片研究技術(shù)起步稍晚，由于種種原因，中高端的激光器芯片仍然受制于人，實(shí)現(xiàn)低成本高性能的光子芯片是我國(guó)光通信產(chǎn)業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

二、光子集成現(xiàn)狀

光子集成技術(shù)（PIC）類似于IC技術(shù)，其集成度及速率也是呈指數(shù)級(jí)別增加的。作為PIC技術(shù)的鼻祖，自2004年實(shí)現(xiàn)第一個(gè)商用100G模塊后，Infinera對(duì)PIC技術(shù)集成芯片速率的預(yù)測(cè)如圖1所示。他們預(yù)測(cè)PIC集成芯片的傳輸速率每2.2年會(huì)翻一番。該公司在2008年報(bào)道了單信道的傳輸速率達(dá)到40Gb/s，10個(gè)信道總的傳輸速率高達(dá)400Gb/s的PIC系統(tǒng)。在2011年的美國(guó)OFC會(huì)議上，該公司報(bào)道了傳輸速率達(dá)到112Gb/s每信道，10個(gè)信道總的傳輸速率達(dá)到1.12Tb/s的PIC系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展及集成度的進(jìn)一步提高，我們有理由相信光的“摩爾定律”。

光子集成的分類方式有多種。比較常見的方式是根據(jù)集成的元器件功能是否相同分為水平集成和垂直集成。水平集成指的是將多個(gè)同樣功能的光元器件集成在一個(gè)襯底上，從而縮小體積。垂直集成是將不同的光元器件集成在一起，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能的集成。從材料選擇上講，水平集成更容易實(shí)現(xiàn)。隨著光元器件功能和元素的增多，對(duì)材料的限制也越多，不同的元器件越多，對(duì)于單一材料的限制就越嚴(yán)重，實(shí)現(xiàn)的難度也越大。按照實(shí)現(xiàn)集成的技術(shù)方式分類，可以分為單片集成（Monolithic Integration）和混合集成（Hybrid Integration）。其中單片集成指的是在單一襯底上實(shí)現(xiàn)預(yù)期的各種功能。混合集成指采用不同的材料實(shí)現(xiàn)，而后將這些不同的功能部件固定在一個(gè)統(tǒng)一的基片上。一般來(lái)講，水平集成比較適合采用單片集成方式，垂直集成比較適合采用混合集成方式。但是業(yè)界的長(zhǎng)期目標(biāo)還是單片集成。

目前在光子集成領(lǐng)域，各種技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方式的爭(zhēng)論已經(jīng)過去，從事光子集成的廠家都開始采用越來(lái)越務(wù)實(shí)的做法來(lái)集成產(chǎn)品，比如在InP上實(shí)現(xiàn)DFB激光器集成比較好，考慮以盡可能高的密度來(lái)減少這種昂貴材料的成本。而調(diào)制器在GaAs材料上或者LiNbO3鈮酸鋰上效果很好。又比如無(wú)源波導(dǎo)的復(fù)雜路由，直接耦合到光纖，在硅波導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)比較容易。但是高密度要求不同的材料，例如Si3N4和半導(dǎo)體材料，而這些材料容易導(dǎo)致高損耗和串?dāng)_。圖2為Infinera公司實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)商用DWDM系統(tǒng)10×10Gbit/s PIC發(fā)射芯片，該芯片在InP襯底上單片集成了10個(gè)光功率監(jiān)視器（Optical power monitor，OPM）、10個(gè)可調(diào)諧DFB激光器、10個(gè)調(diào)制速率為10Gb/s的EAM（Electro-absorption modulator）、10個(gè)可調(diào)光衰減器（Variable optical attenuator，VOA）以及一個(gè)AWG復(fù)用器。至此，光子集成拉開了序幕。國(guó)際光子芯片巨頭如美國(guó)的Infinera公司、JDSU公司、日本的NTT公司等對(duì)光子集成芯片作出了大量投入研究。我國(guó)的光電子核心芯片研究技術(shù)起步稍晚，由于種種原因，中高端的PIC芯片仍然受制于人，中國(guó)目前能生產(chǎn)芯片的光器件只有FP腔激光器、中低端DFB激光器和PIN探測(cè)器，而光模塊、光開關(guān)、薄膜濾波器、隔離器、連接器，以及泵浦激光器和EDFA、AWG等光器件都是進(jìn)口器件來(lái)封裝，實(shí)現(xiàn)低成本高性能的激光器芯片是我國(guó)光通信產(chǎn)業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。國(guó)內(nèi)關(guān)于PIC芯片的報(bào)道很少，只有中科院北京半導(dǎo)體所以及武漢郵科院兩家實(shí)驗(yàn)上報(bào)道過PIC核心芯片，而且成本高，大規(guī)模應(yīng)用還為時(shí)尚早。

三、光子集成潛在應(yīng)用

由于光子集成的功能多，密度高，產(chǎn)品一致性要求非常高，特別是采用單片集成方式時(shí)要求更為苛刻，導(dǎo)致光子集成產(chǎn)品的成品率低，成本居高不下，限制了大規(guī)模應(yīng)用。

從市場(chǎng)應(yīng)用來(lái)看，城域和長(zhǎng)途傳送設(shè)備市場(chǎng)在向光子集成的方向發(fā)展， XFP、40G和100G的OTU以及ROADM，包括MUX和DEMUX會(huì)成為應(yīng)用的主要領(lǐng)域。在波分設(shè)備接口上，除了Infinera公司以外均沒有采用集成方式的。直到40G和100G的復(fù)雜調(diào)制格式的出現(xiàn)，伴隨著可調(diào)XFP的10G模塊的出現(xiàn)才開始在波分接口上出現(xiàn)集成技術(shù)的應(yīng)用。目前的客戶側(cè)光模塊大部分沒有采用集成技術(shù)。但是對(duì)于速率較高的40G和100G特別是后續(xù)的400G/1T的收發(fā)模塊必須采用集成技術(shù)以達(dá)到理想的端口密度要求。對(duì)于波分系統(tǒng)線路部分的EDFA和色散補(bǔ)償?shù)绕骷瑫簳r(shí)還沒有集成的需求，都是采用多信道并行的方式。從網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍看，城域的應(yīng)用會(huì)先于干線和長(zhǎng)途系統(tǒng)。

從客戶的角度看，確實(shí)光子集成可以帶來(lái)很多好處。但是總體看來(lái)，在100G領(lǐng)域，采用光子集成的發(fā)展勢(shì)頭并不明顯，系統(tǒng)設(shè)備制造商會(huì)等到400G或者1T時(shí)才會(huì)考慮大量采用光子集成技術(shù)。

光子集成技術(shù)另一個(gè)重要的應(yīng)用在于數(shù)據(jù)中心互聯(lián)。數(shù)據(jù)中心一般有以下幾個(gè)特點(diǎn)，一是速率要高，目前服務(wù)器的接口正在從1G到10G，而匯聚交換機(jī)從10G到40G/100G。第二要求綠色環(huán)保，功耗小。數(shù)據(jù)中心的耗電量非常大，計(jì)算發(fā)熱的功耗是很大的浪費(fèi)，因此數(shù)據(jù)中心往往建在發(fā)電資源豐富和天氣較冷的地區(qū)。第三要高密度，節(jié)省空間。第四要低成本。隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的電互聯(lián)技術(shù)已難以解決速率、體積、能耗等問題，此時(shí)光子集成技術(shù)優(yōu)點(diǎn)就凸顯出來(lái)。

實(shí)際上光子集成是個(gè)比較寬泛的詞，處于產(chǎn)業(yè)鏈上的公司都有各自的理解和實(shí)現(xiàn)方式，但是因?yàn)閹捲鲩L(zhǎng)和數(shù)據(jù)中心以及運(yùn)營(yíng)商對(duì)于高密度、低功耗和體積的驅(qū)動(dòng)下，大家達(dá)成一致的是需要采用多種光子集成的方法以滿足不同的應(yīng)用需求。從目前的研究分析看，光子集成技術(shù)成品率低，價(jià)格昂貴，產(chǎn)業(yè)鏈微弱和單一的現(xiàn)狀并沒有根本改變，規(guī)模商用仍有待時(shí)日。

四、結(jié)論

本文對(duì)大規(guī)模光子集成技術(shù)進(jìn)行了研究，包括光子集成技術(shù)現(xiàn)狀以及潛在應(yīng)用。與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)光子集成技術(shù)起步較晚，中高端的PIC芯片仍然受制于人，實(shí)現(xiàn)低成本高性能的PIC芯片是我國(guó)光通信產(chǎn)業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。我們也期望國(guó)內(nèi)光子集成科研院所以及企業(yè)能開拓屬于我們自己的一片“光子”天地。

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（作者單位：江蘇省通信服務(wù)有限公司）