光子集成電路技術（PIC）簡述

韓敏娟 朱冬林

摘要：信息技術是推動現代社會發展的重要驅動力，而集成電路則是信息產業的基石。二十世紀成就了電子集成電路技術，但大規模集成電路的摩爾定律已接近材料物理性能極限，這就引發出光子集成的研究，形成一項新的前沿高科技——光子集成，樂觀預測二十一世紀將可能成就光子集成電路技術（PIC）的繁榮發展。本文從PIC技術概述、技術原理、分類、技術發展現狀和技術發展方向等五個方面進行簡述，以期對PIC行業研發及生產帶來借鑒意義。

關鍵詞：集成電路;PIC;光子集成電路;光電子

一、PIC技術概述

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III/V族材料存在兩個方面的問題：一、材料成本較高且有毒性，例如砷元素，其實是砒霜的主要成分，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;再加上現在成熟的電路都是用硅基實現的，基于硅材料的集成電路產業鏈非常完善發達。二、生產工藝尚不成熟，產能及產品良率無法與基于硅的集成電路強大及成熟的產業鏈相提并論。

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器件或光電器件。PIC集成相對于傳統OEO（光電光）的模式處理，降低了生產成本和器件復雜性，提高了產品可靠性并減小了體積，能夠以更低的成本構建一個具有更多節點的全新網絡結構，成為了光器件的主流發展方向，是光纖通信最前沿和最有前途的領域。

二十世紀成就了電子集成電路技術，而二十一世紀將成就光子集成電路技術。大規模集成電路的摩爾定律已經接近材料物理性能極限，這就引發出光子集成的研究，從而形成一項新的前沿高科技——光子集成。光子集成采用合適的光學平臺、微納加工技術、高速率的發射、傳輸與探測等實現單片集成和混合集成，從而能夠實現大容量和低能耗的信息傳輸。

二、PIC技術原理

光子集成技術的理論基礎是光子學，光子集成芯片具有三維結構，比二維結構的半導體集成要復雜得多，光子集成電路技術主要是指圍繞特定的功能要求，在同一襯底（基片）上進行多次外延、光刻、沉積和刻蝕等工藝制作所有功能單元的技術。把光子器件融入微電子平臺 ，可以結合光子和電子兩個方面的優勢，將打破傳統微電子技術在功耗與速度等方面的技術瓶頸，滿足不斷提升的產業應用需求，將可應對當前信息產業面臨的重大挑戰。

目前PIC技術突破的關鍵體現在以下幾方面：一是PIC采用何種材料及何種工藝來實現;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現集成及如何在同一襯底材料上實現所有的光器件功能;三是PIC如何提高大規模生產能力;這些方面將是降低PIC成本和實現大規模生產及應用的關鍵。

三、PIC的分類

按照實現集成的技術方式分類，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無論是在節能還是在可靠性等方面，相比混合PIC都具有明顯的優勢。混合集成PIC指的是將不同的單個功能的光器件集成在同一個器件中的技術模式。許多常見的光器件都利用混合集成的技術來實現，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有所差別，這樣就使得集成多個分立元器件并保證器件綜合性能變得異常復雜，尤其是在實現大規模混合集成PIC時這個問題尤為突出。

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技術（Planar Lightwave Circuit，PLC），發展相對成熟。有源PIC也稱之為光電PIC，這種PIC可以集成有源光器件，同時還可以集成無源光器件。

按照基底材料分類，現有PIC研發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，它們是生產電子集成電路所用的基礎材料，其價格相對便宜且性能穩定，加工工藝簡單成熟，成品率高，非常適合規模化生產。但是硅基材料在PIC中應用時卻有三個致命的缺點：一是激光發射效率很低，硅基激光器非常難以實現;二是硅基材料不能夠檢測到1310nm和1550nm波長的光，而這兩個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，無法實現電光調制。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制器，其調制帶寬高，調制線性度好，受到了廣泛應用。但是鈮酸鋰晶體不能實現激光激射，也不能作為光探測器，同時其加工處理工藝也非常復雜，因此對于大規模PIC來說，鈮酸鋰晶體暫時并未發現實際應用的價值。雖然有源光電器件能夠在砷化鎵材料中實現，但是砷化鎵材料的本征帶隙決定了它只能夠在波長為850nm的范圍內工作，其應用受到很大限制。僅有磷化銦材料能夠同時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;同時可以利用成熟的標準化半導體生產工藝實現大規模生產，便于節約成本。因此，這就使得通過利用磷化銦材料實現大規模單片PIC生產及應用成為可能。

四、PIC技術發展現狀

光電子集成技術比集成電路技術更復雜，研發及生產難度更大。PIC集成需要包含更多類別的光子和電子器件，在光源選用、工藝兼容和大規模制備等方面依然面臨著諸多短時間內難以應對的挑戰。目前光子技術主要應用在光通信、光感知和光計算領域，而光通信是這三者當中應用最為廣泛的，光計算還處于實驗室研究階段，距離大規模商用尚有一段距離。

國際上目前在光子集成研發方面取得了一定的技術進展，但光電融合技術的研究工作大多還停留在工藝和器件等物理結構的融合方面，總體處于類似“單個晶體管”的時代。如下圖所示 ，目前光電融合系統正處于從器件和集成技術到回路技術的過渡階段，下一階段必須發展與集成電路類似的信號回路技術，方可逐步邁向大規模光電融合階段。因此，光與電相融合的信號回路技術是光電融合的新挑戰。當然，集成電路的發展經驗無疑也可以對光電融合集成回路的發展提供重要的技術借鑒。

光子芯片技術已經由硅光子集成技術向納米光子學范疇邁進。在材料方面，石墨烯等先進材料的研究也有望將光子芯片技術的應用推向新的高度。隨著光子技術的不斷發展，光子技術將幫助突破計算機電子技術的局限;尤其通過大幅增加數據容量和提高數據傳輸速度，光子技術將推動通信行業進入太比特時代，同時還可降低碳足跡和單位成本。

五、PIC技術發展方向

在技術和市場方面，PIC近幾年取得了突破性的進展。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將來的發展方向將主要集中在以下幾個方面。

（1）繼續采用磷化銦材料作為襯底開展大規模PIC技術研究

雖然采用磷化銦作為襯底有其自身的缺點，但行業內各公司正在努力研發使得磷化銦成為唯一能夠實現PIC大規模商用的材料。從可預見的情形看，硅基光子學在未來的幾年內可能較難取得突破性進展。從技術角度看，采用磷化銦作為襯底材料也面臨著較多的技術難題，如何提高集成度、提高芯片性能以及如何進一步簡化工藝、降低成本等都是需要繼續研究的重點。

（2）硅基大規模PIC技術研究

硅基材料在電子集成電路中應用廣泛，電子集成電路產業成熟的規模化生產工藝和低廉的成本對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上的巨大成功，更是深刻地改變了現代社會人類的生活方式。硅基PIC研究方向將主要集中在通過混合集成的方式實現硅基有源光器件，其中可重點研究如何利用現有成熟的CMOS工藝實現PIC集成。

（3）集成光邏輯器件技術研究

集成光邏輯器件是實現真正光子電路必須解決的關鍵技術。集成光邏輯器件的研究目前仍處于基礎研究階段，能夠實現的邏輯水平與電子邏輯器件相比相差甚遠。只有集成光邏輯器件的技術研究取得突破性進展，才有可能真正實現與當今電子集成電路類似真正意義上的光子電路技術的發展。

結論

光電融合是后摩爾時代的重要技術發展方向，被普遍認為是推動信息產業技術可持續發展的有效方案。 隨著光電器件及其集成技術逐步走向成熟，行業將邁入光電融合集成回路研究的下一階段。 目前光電融合技術進入了一個非常關鍵的轉折階段，研發及生產中借鑒引入電子集成電路的技術途徑勢必將加速光電融合技術的發展進程，可以預見將為行業及產業的發展帶來較好的技術、經濟和社會效應。對于光子集成電路技術（PIC）從技術概述、技術原理、分類、技術發展現狀和技術發展方向等五方面進行必要的整理簡述，也將具有較為重要的意義。

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