大規模光子集成技術研究

引言：本文對大規模光子集成技術進行了研究，包括光子集成技術現狀以及潛在應用。由于光子集成技術，低成本、綠色節能、高速率大容量的光通信也成為可能。

一、前言

隨著互聯網、無線通信的快速發展，人們對網絡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。傳統來說，受限于技術以及成本，光網絡的核心器件，如激光器、調制器、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絡容量的進一步增加，光網絡的核心器件若依舊采用分立的方式進行生產和使用的話，將使得通信系統在體積、能耗、成本上急劇增加；此外，云計算的深入推進給數據中心帶來新機會的同時，也給光通信產品提出了新的需求。這種新需求表現為數據中心內互聯應用對低成本和低功耗的需求。在采取超高速方式互聯時，通常距離要求并不高，對于光系統的線路性能要求遠遠弱于干線和城域應用，但是對于光口密度、成本和功耗則比較敏感。類似于集成電路IC技術，光子集成技術（Photonic integrated circuit， PIC）能夠在單個芯片上實現多個功能的光電子器件，被認為是最有可能解決這些問題的方案。美國的英飛朗公司（Infinera Corporation）于2004年第一次實現了商用化的10×10Gbit/s的光子集成芯片，拉開了光子集成芯片商業化的序幕。我國的光電子核心芯片研究技術起步稍晚，由于種種原因，中高端的激光器芯片仍然受制于人，實現低成本高性能的光子芯片是我國光通信產業的當務之急。

二、光子集成現狀

光子集成技術（PIC）類似于IC技術，其集成度及速率也是呈指數級別增加的。作為PIC技術的鼻祖，自2004年實現第一個商用100G模塊后，Infinera對PIC技術集成芯片速率的預測如圖1所示。他們預測PIC集成芯片的傳輸速率每2.2年會翻一番。該公司在2008年報道了單信道的傳輸速率達到40Gb/s，10個信道總的傳輸速率高達400Gb/s的PIC系統。在2011年的美國OFC會議上，該公司報道了傳輸速率達到112Gb/s每信道，10個信道總的傳輸速率達到1.12Tb/s的PIC系統。隨著技術的發展及集成度的進一步提高，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同樣功能的光元器件集成在一個襯底上，從而縮小體積。垂直集成是將不同的光元器件集成在一起，從而實現多個功能的集成。從材料選擇上講，水平集成更容易實現。隨著光元器件功能和元素的增多，對材料的限制也越多，不同的元器件越多，對于單一材料的限制就越嚴重，實現的難度也越大。按照實現集成的技術方式分類，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現預期的各種功能。混合集成指采用不同的材料實現，而后將這些不同的功能部件固定在一個統一的基片上。一般來講，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。但是業界的長期目標還是單片集成。

目前在光子集成領域，各種技術和實現方式的爭論已經過去，從事光子集成的廠家都開始采用越來越務實的做法來集成產品，比如在InP上實現DFB激光器集成比較好，考慮以盡可能高的密度來減少這種昂貴材料的成本。而調制器在GaAs材料上或者LiNbO3鈮酸鋰上效果很好。又比如無源波導的復雜路由，直接耦合到光纖，在硅波導上實現比較容易。但是高密度要求不同的材料，例如Si3N4和半導體材料，而這些材料容易導致高損耗和串擾。圖2為Infinera公司實現的第一個商用DWDM系統10×10Gbit/s PIC發射芯片，該芯片在InP襯底上單片集成了10個光功率監視器（Optical power monitor，OPM）、10個可調諧DFB激光器、10個調制速率為10Gb/s的EAM（Electro-absorption modulator）、10個可調光衰減器（Variable optical attenuator，VOA）以及一個AWG復用器。至此，光子集成拉開了序幕。國際光子芯片巨頭如美國的Infinera公司、JDSU公司、日本的NTT公司等對光子集成芯片作出了大量投入研究。我國的光電子核心芯片研究技術起步稍晚，由于種種原因，中高端的PIC芯片仍然受制于人，中國目前能生產芯片的光器件只有FP腔激光器、中低端DFB激光器和PIN探測器，而光模塊、光開關、薄膜濾波器、隔離器、連接器，以及泵浦激光器和EDFA、AWG等光器件都是進口器件來封裝，實現低成本高性能的激光器芯片是我國光通信產業的當務之急。國內關于PIC芯片的報道很少，只有中科院北京半導體所以及武漢郵科院兩家實驗上報道過PIC核心芯片，而且成本高，大規模應用還為時尚早。

三、光子集成潛在應用

由于光子集成的功能多，密度高，產品一致性要求非常高，特別是采用單片集成方式時要求更為苛刻，導致光子集成產品的成品率低，成本居高不下，限制了大規模應用。

從市場應用來看，城域和長途傳送設備市場在向光子集成的方向發展， XFP、40G和100G的OTU以及ROADM，包括MUX和DEMUX會成為應用的主要領域。在波分設備接口上，除了Infinera公司以外均沒有采用集成方式的。直到40G和100G的復雜調制格式的出現，伴隨著可調XFP的10G模塊的出現才開始在波分接口上出現集成技術的應用。目前的客戶側光模塊大部分沒有采用集成技術。但是對于速率較高的40G和100G特別是后續的400G/1T的收發模塊必須采用集成技術以達到理想的端口密度要求。對于波分系統線路部分的EDFA和色散補償等器件，暫時還沒有集成的需求，都是采用多信道并行的方式。從網絡的應用范圍看，城域的應用會先于干線和長途系統。

從客戶的角度看，確實光子集成可以帶來很多好處。但是總體看來，在100G領域，采用光子集成的發展勢頭并不明顯，系統設備制造商會等到400G或者1T時才會考慮大量采用光子集成技術。

光子集成技術另一個重要的應用在于數據中心互聯。數據中心一般有以下幾個特點，一是速率要高，目前服務器的接口正在從1G到10G，而匯聚交換機從10G到40G/100G。第二要求綠色環保，功耗小。數據中心的耗電量非常大，計算發熱的功耗是很大的浪費，因此數據中心往往建在發電資源豐富和天氣較冷的地區。第三要高密度，節省空間。第四要低成本。隨著云計算、大數據技術的發展，傳統的電互聯技術已難以解決速率、體積、能耗等問題，此時光子集成技術優點就凸顯出來。

實際上光子集成是個比較寬泛的詞，處于產業鏈上的公司都有各自的理解和實現方式，但是因為帶寬增長和數據中心以及運營商對于高密度、低功耗和體積的驅動下，大家達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用需求。從目前的研究分析看，光子集成技術成品率低，價格昂貴，產業鏈微弱和單一的現狀并沒有根本改變，規模商用仍有待時日。

四、結論

本文對大規模光子集成技術進行了研究，包括光子集成技術現狀以及潛在應用。與歐美等發達國家相比，我國光子集成技術起步較晚，中高端的PIC芯片仍然受制于人，實現低成本高性能的PIC芯片是我國光通信產業的當務之急。我們也期望國內光子集成科研院所以及企業能開拓屬于我們自己的一片“光子”天地。

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（作者單位：江蘇省通信服務有限公司）