光子集成电路技术（PIC）简述

韩敏娟 朱冬林

摘要：信息技术是推动现代社会发展的重要驱动力，而集成电路则是信息产业的基石。二十世纪成就了电子集成电路技术，但大规模集成电路的摩尔定律已接近材料物理性能极限，这就引发出光子集成的研究，形成一项新的前沿高科技——光子集成，乐观预测二十一世纪将可能成就光子集成电路技术（PIC）的繁荣发展。本文从PIC技术概述、技术原理、分类、技术发展现状和技术发展方向等五个方面进行简述，以期对PIC行业研发及生产带来借鉴意义。

关键词：集成电路;PIC;光子集成电路;光电子

一、PIC技术概述

在硅基光电子之前，用来做光器件的多为III/V族材料（如铟、砷）。但III/V族材料存在两个方面的问题：一、材料成本较高且有毒性，例如砷元素，其实是砒霜的主要成分，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;再加上现在成熟的电路都是用硅基实现的，基于硅材料的集成电路产业链非常完善发达。二、生产工艺尚不成熟，产能及产品良率无法与基于硅的集成电路强大及成熟的产业链相提并论。

PIC （Photonic Integrated Circuit：光子集成电路）的概念与电子集成电路的概念类似，只不过电子集成电路集成的是电子器件，而PIC集成的是各种不同的光学器件或光电器件。PIC集成相对于传统OEO（光电光）的模式处理，降低了生产成本和器件复杂性，提高了产品可靠性并减小了体积，能够以更低的成本构建一个具有更多节点的全新网络结构，成为了光器件的主流发展方向，是光纤通信最前沿和最有前途的领域。

二十世纪成就了電子集成电路技术，而二十一世纪将成就光子集成电路技术。大规模集成电路的摩尔定律已经接近材料物理性能极限，这就引发出光子集成的研究，从而形成一项新的前沿高科技——光子集成。光子集成采用合适的光学平台、微纳加工技术、高速率的发射、传输与探测等实现单片集成和混合集成，从而能够实现大容量和低能耗的信息传输。

二、PIC技术原理

光子集成技术的理论基础是光子学，光子集成芯片具有三维结构，比二维结构的半导体集成要复杂得多，光子集成电路技术主要是指围绕特定的功能要求，在同一衬底（基片）上进行多次外延、光刻、沉积和刻蚀等工艺制作所有功能单元的技术。把光子器件融入微电子平台 ，可以结合光子和电子两个方面的优势，将打破传统微电子技术在功耗与速度等方面的技术瓶颈，满足不断提升的产业应用需求，将可应对当前信息产业面临的重大挑战。

目前PIC技术突破的关键体现在以下几方面：一是PIC采用何种材料及何种工艺来实现;二是不同的光器件往往使用不同的衬底材料，PIC如何将不同材料的光器件实现集成及如何在同一衬底材料上实现所有的光器件功能;三是PIC如何提高大规模生产能力;这些方面将是降低PIC成本和实现大规模生产及应用的关键。

三、PIC的分类

按照实现集成的技术方式分类，可以将PIC分为单片集成PIC（Monolithic Integration）和混合集成PIC（Hybrid Integration）。单片集成PIC无论是在节能还是在可靠性等方面，相比混合PIC都具有明显的优势。混合集成PIC指的是将不同的单个功能的光器件集成在同一个器件中的技术模式。许多常见的光器件都利用混合集成的技术来实现，然而由于各材料自身的不同特性，有源与无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装要求也会有所差别，这样就使得集成多个分立元器件并保证器件综合性能变得异常复杂，尤其是在实现大规模混合集成PIC时这个问题尤为突出。

按照器件类别分为无源和有源两大类。无源PIC，也称为全光PIC，这种PIC所集成的器件全部是无源光器件，普遍采用平面光波导技术（Planar Lightwave Circuit，PLC），发展相对成熟。有源PIC也称之为光电PIC，这种PIC可以集成有源光器件，同时还可以集成无源光器件。

按照基底材料分类，现有PIC研发路径所采用的基底材料主要分为硅及二氧化硅、铌酸锂（LiNbO3）、砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）等。首先是硅及二氧化硅，它们是生产电子集成电路所用的基础材料，其价格相对便宜且性能稳定，加工工艺简单成熟，成品率高，非常适合规模化生产。但是硅基材料在PIC中应用时却有三个致命的缺点：一是激光发射效率很低，硅基激光器非常难以实现;二是硅基材料不能够检测到1310nm和1550nm波长的光，而这两个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，无法实现电光调制。其次是铌酸锂晶体，铌酸锂晶体主要用于制作高性能的电光调制器，其调制带宽高，调制线性度好，受到了广泛应用。但是铌酸锂晶体不能实现激光激射，也不能作为光探测器，同时其加工处理工艺也非常复杂，因此对于大规模PIC来说，铌酸锂晶体暂时并未发现实际应用的价值。虽然有源光电器件能够在砷化镓材料中实现，但是砷化镓材料的本征带隙决定了它只能够在波长为850nm的范围内工作，其应用受到很大限制。仅有磷化铟材料能够同时集成有源与无源光器件，并且保证其工作波长为目前光通信广泛使用的1310nm和1550nm波段;同时可以利用成熟的标准化半导体生产工艺实现大规模生产，便于节约成本。因此，这就使得通过利用磷化铟材料实现大规模单片PIC生产及应用成为可能。

四、PIC技术发展现状

光电子集成技术比集成电路技术更复杂，研发及生产难度更大。PIC集成需要包含更多类别的光子和电子器件，在光源选用、工艺兼容和大规模制备等方面依然面临着诸多短时间内难以应对的挑战。目前光子技术主要应用在光通信、光感知和光计算领域，而光通信是这三者当中应用最为广泛的，光计算还处于实验室研究阶段，距离大规模商用尚有一段距离。

国际上目前在光子集成研发方面取得了一定的技术进展，但光电融合技术的研究工作大多还停留在工艺和器件等物理结构的融合方面，总体处于类似“单个晶体管”的时代。如下图所示 ，目前光电融合系统正处于从器件和集成技术到回路技术的过渡阶段，下一阶段必须发展与集成电路类似的信号回路技术，方可逐步迈向大规模光电融合阶段。因此，光与电相融合的信号回路技术是光电融合的新挑战。当然，集成电路的发展经验无疑也可以对光电融合集成回路的发展提供重要的技术借鉴。

光子芯片技术已经由硅光子集成技术向纳米光子学范畴迈进。在材料方面，石墨烯等先进材料的研究也有望将光子芯片技术的应用推向新的高度。随着光子技术的不断发展，光子技术将帮助突破计算机电子技术的局限;尤其通过大幅增加数据容量和提高数据传输速度，光子技术将推动通信行业进入太比特时代，同时还可降低碳足迹和单位成本。

五、PIC技术发展方向

在技术和市场方面，PIC近几年取得了突破性的进展。但是PIC无论从集成度、性能还是成本方面与电子集成电路相比较，都还存在巨大的差距。PIC将来的发展方向将主要集中在以下几个方面。

（1）继续采用磷化铟材料作为衬底开展大规模PIC技术研究

虽然采用磷化铟作为衬底有其自身的缺点，但行业内各公司正在努力研发使得磷化铟成为唯一能够实现PIC大规模商用的材料。从可预见的情形看，硅基光子学在未来的几年内可能较难取得突破性进展。从技术角度看，采用磷化铟作为衬底材料也面临着较多的技术难题，如何提高集成度、提高芯片性能以及如何进一步简化工艺、降低成本等都是需要继续研究的重点。

（2）硅基大规模PIC技术研究

硅基材料在电子集成电路中应用广泛，电子集成电路产业成熟的规模化生产工艺和低廉的成本对PIC来说都是巨大的诱惑。硅基电子集成电路不仅取得了商业上的巨大成功，更是深刻地改变了现代社会人类的生活方式。硅基PIC研究方向将主要集中在通过混合集成的方式实现硅基有源光器件，其中可重点研究如何利用现有成熟的CMOS工艺实现PIC集成。

（3）集成光逻辑器件技术研究

集成光逻辑器件是实现真正光子电路必须解决的关键技术。集成光逻辑器件的研究目前仍处于基础研究阶段，能够实现的逻辑水平与电子逻辑器件相比相差甚远。只有集成光逻辑器件的技术研究取得突破性进展，才有可能真正实现与当今电子集成电路类似真正意义上的光子电路技术的发展。

结论

光电融合是后摩尔时代的重要技术发展方向，被普遍认为是推动信息产业技术可持续发展的有效方案。 随着光电器件及其集成技术逐步走向成熟，行业将迈入光电融合集成回路研究的下一阶段。 目前光电融合技术进入了一个非常关键的转折阶段，研发及生产中借鉴引入电子集成电路的技术途径势必将加速光电融合技术的发展进程，可以预见将为行业及产业的发展带来较好的技术、经济和社会效应。对于光子集成电路技术（PIC）从技术概述、技术原理、分类、技术发展现状和技术发展方向等五方面进行必要的整理简述，也将具有较为重要的意义。

参考文献：

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