光子集成技術及產業發展研究

吳冰冰，趙文玉，張海懿

（工業和信息化部電信研究院通信標準研究所 北京 100191）

1 引言

光器件是光通信系統的基礎與核心，最能夠代表一個國家在光通信技術領域的水平和能力。光子集成（photonic integrated circuits，PIC）是指將多個光器件集成在一起的技術，相對于目前廣泛采用的分立元器件，在尺寸、能耗、成本、可靠性等方面擁有巨大優勢，是未來光器件的主流發展方向[1,2]。近年來，隨著技術的逐漸積累以及產業需求的旺盛，PIC進入較快發展時期，并被譽為光通信產業革命在未來10年中的核心部分和最大貢獻者。本文首先對PIC的技術、產業發展現狀展開研究，在此基礎上分析PIC面臨的主要挑戰和未來應用前景，并探討我國PIC技術及產業發展的策略建議。

2 技術發展研究

2.1 實現分類

從不同角度看，PIC有多種分類方式，如圖1所示。根據集成的元器件是否具有相同功能，PIC可分為水平集成和垂直集成。水平集成是將多個相同功能的元器件集成在同一襯底上，形成陣列，以實現小型化；垂直集成是將不同功能的元器件集成在同一襯底上，實現小型化、低成本、低損耗和高可靠性。從材料選擇上講，水平集成更容易實現單片集成，隨著器件功能的增多，對于單一材料的限制越來越苛刻，垂直集成實現單片集成的難度越來越大。

圖1 光子集成的實現分類

根據集成的元器件是否采用同種材料，PIC可以分為混合集成和單片集成?；旌霞墒菍⑹褂貌煌牧?、不同制作工藝制造出來的元器件組合安裝在同一襯底上，它的優勢是能夠實現無源光波導與有源器件之間較自由的結合。然而，不同元器件間需要精密的位置調整與固定，加之不同材料在光學、機械和熱特性等方面存在差異，都將加重封裝的復雜性和成本，并限制集成規模[3]。單片集成是經過相同制作工藝，將不同元器件集成在同一襯底上的一體化技術，實現起來有較大技術難度，但具有結構緊湊、尺寸小、功耗低、可靠性強等優勢，是PIC的發展方向。表1對比了兩種集成形式以及分立器件組合的差異。目前在光通信系統中混合集成和單片集成器件都在使用，前者使用較多，單片集成也已經進入量產。

表1 混合集成與單片集成的差異對比

根據集成的元器件數量，光子集成可分為小規模PIC、中等規模PIC和大規模PIC，通常指單片集成的功能元器件數量在10個以內、10～50個和超過50個[4]。大規模PIC是未來主流的發展方向。

2.2 材料及制作工藝

光子集成的材料豐富多樣，主要包括以下幾類：鈮酸鋰(LiNbO3)晶體、聚合物、光學玻璃、絕緣硅（SOI）、二氧化硅/硅(SiO2/Si)、氮氧化硅/二氧化硅(Si3N4/SiO2)以及Ⅲ-V族化合物半導體。鈮酸鋰晶體具有較好的電光調制特性，主要應用于高速光調制器，但不能實現激光激射和探測。聚合物波導的熱光系數較高，適合于制備熱光調制的動態器件，可大幅降低功耗。玻璃波導具有較低的傳輸損耗和與光纖的耦合損耗，成本低廉，是目前平面光波導（PLC）光分路器的主要材料。硅材料和Ⅲ-V族材料對實現大規模PIC更有優勢，圖2總結了幾種材料的特性以及匹配的光器件[5]。硅材料在電子集成電路中應用廣泛，成本低廉、性能穩定、工藝成熟，適合規?；a。在PIC領域，由于硅是間隙能帶材料，禁帶寬度較大，發光效率和光電效應很弱，目前主要應用于無源器件[6～8]，基于硅材料的探測器、調制器等有源器件近幾年也取得了一定突破[9～11]。硅有源器件最大的挑戰是制作通信波段的光源，目前尚沒有確定的技術路線，Intel等研究機構嘗試采用受激拉曼輻射等方法實現硅基激光器，但由于受到雙光子吸收誘導自由載流子增加，波導吸收損耗變大，無法實現高效的自激放大[12,13]。砷化鎵（GaAs）主要應用于850 nm波長范圍，適用于局域網，在長距離、大容量傳輸系統應用中受到限制。磷化銦（InP）是稀有材料，外延片尺寸也小于硅材料，目前普遍采用的InP外延片為2英寸和3英寸，而電子集成電路中硅晶圓直徑已達到12英寸，Intel、TSMC和Samsung在2012年入股光刻機廠商ASML，正在聯合研發18英寸硅晶圓生產技術。雖然InP在成本、規?；a能力方面遜色于硅，但它是目前唯一能夠實現通信波長大規模單片集成的材料。綜上所述，由于不同的器件功能對所用材料的性能要求有較大差別，器件的工作機理和結構也大不相同，在PIC領域尚未找到一種理想的基礎材料，能夠像電子集成電路中采用硅材料那樣眾望所歸。

圖2 光子集成材料的特性及匹配器件（+為最佳匹配器件）[5]

在制作工藝方面，鈮酸鋰和玻璃波導主要基于擴散、離子交換或質子交換工藝。硅材料和Ⅲ-V族化合物半導體主要基于半導體制造工藝。硅材料的制備技術主要包括：熱氧化和等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）工藝。Ⅲ-V族化合物半導體材料制備技術主要包括：傳統的氣相外延（VPE）、液相外延（LPE）、分子束外延（MBE）和金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）工藝，其中，MOCVD由于生產設備相對簡單、造價低、可按任意比例控制合成材料、適合規模生產等優勢，得到學術和產業界的廣泛認同。

2.3 關鍵技術

除了基礎的材料制備技術之外，PIC的關鍵技術還體現在以下幾個方面。

（1）功能單元微結構制作和波導連接技術

將不同材料的功能單元集成到一起或在同一襯底材料上同時實現多種功能單元，一直是PIC技術的關鍵和難點，涉及很多結構與工藝的兼容性問題。PIC設計時也不能拘泥于追求單個功能單元的具體性能指標，要力爭整體性能最大化。功能單元的微結構制作技術主要包括濕法腐蝕和干法刻蝕。此外，不同功能波導間的連接需要具有低損耗和折射率匹配特性，在外延片的不同區域生長帶隙不同的半導體材料是PIC的基礎工藝之一。目前，波導連接技術主要包括波導對接生長[14]、選擇區域生長[15]和量子阱混雜[16]等。

（2）硅基光子集成和混合集成技術

根據有源器件的實現方式，硅基PIC可分為單片集成和混合集成兩種。硅基單片集成通常會用到硅上鍺材料，例如鍺—硅調制器和鍺光探測器[10,11]，因而硅上長鍺是其重要基礎工藝，由于兩者之間存在4%的晶格失配，鍺生長過程中容易產生缺陷，進而降低器件的性能?；旌霞墒菍⒕哂胁煌δ堋⒉煌牧系男酒?，如Ⅲ-V族激光器、調制器、探測器，通過焊接或鍵合技術在物理上與硅材料組成一個整體。目前，鍵合技術主要有晶圓級鍵合[17]和芯片級鍵合[18]兩種方式，前者具有大規模加工和生產的優勢，后者具有成本低、易于操作的優點，但也存在精度低、難批量生產的限制。

（3）光電集成電路（OEIC）技術

在一枚芯片上同時集成光和電是業界追求的終極目標。OEIC的技術要求比PIC更為苛刻，需要在同一襯底材料上對光、電功能單元同時進行優化，存在著結構設計、前后工序之間的相容性問題。OEIC整體上仍處于研究開發階段,目前主要應用于集成有源器件及其外部驅動電路。

3 產業發展研究

3.1 產業發展驅動力

總體上說，PIC是為滿足市場對低功耗、低成本、高密度和高可靠性的需求而出現的，其中，低成本是最根本的驅動力。器件、模塊商通過PIC可降低封裝、耦合等制造成本；運營商通過PIC可降低功耗、機房占用面積、系統開通和升級難度等運維成本。在細分領域，大容量高帶寬光傳輸、小型化低成本光接入、高密度高帶寬光互聯是目前PIC產業最強勁的驅動力。

（1）大容量、高帶寬光傳輸

傳統的WDM系統普遍采用分立元器件，隨著網絡擴容，器件的數量和功耗都大幅提高。PIC能夠在增加WDM系統帶寬的同時，降低單位成本和功耗[19]。在100 Gbit/s領域，Infinera提出的10×10 Gbit/s PIC方案雖未獲得廣泛支持，但已鋒芒初露，掀起業界的PIC研發熱潮。隨著速率提升至400 Gbit/s和1 Tbit/s，調制碼型將更為復雜，系統對高集成度、低功耗和低成本的需求更加迫切?？v觀IEEE/ITU-T標準制定、主流設備商樣機研制、典型運營商現網試點等諸多400 Gbit/s技術及產業發展動態，400 Gbit/s實現商用的可能性不斷增加，預計到2016年左右，市場定位將逐步清晰，屆時設備商將會考慮大量采用PIC技術。

（2）低成本、小型化、高可靠性光接入

目前，用戶終端（ONU）成本占據FTTH端到端有源設備成本的90%以上，終端成本過高將成為FTTH普及部署的一大障礙。PIC可以滿足ONU小型化、低成本、高可靠性的發展需求，在未來FTTH部署中發揮重要作用。同時，基于PLC的光分路器和AWG無源光器件已普遍應用于寬帶接入領域，并有逐步向城域及骨干網延伸的趨勢。

（3）高密度、高帶寬光互聯

云計算的發展極大地促進了數據中心網絡流量的快速增長，板卡間電互聯面臨帶寬、時延和功耗等諸多挑戰，光互聯已成為一種極具發展潛力的替代方案。光互聯對尺寸、功耗和成本都非常敏感，正是PIC的用武之地。另一方面，隨著微處理器性能呈指數增長以及電子集成電路技術日益逼近極限，計算機系統內部通信速度和帶寬落后于處理器芯片運算速度的趨勢不斷擴大，芯片的提速需要芯片間和芯片內的通信速度大大加快，PIC的應用范圍將進一步擴大到芯片間和芯片內部互連。

3.2 產業發展現狀

PIC的概念最早由貝爾實驗室的Miller S E在1969年提出[20]，受制于固有技術問題，PIC商品化的進程十分緩慢。概念提出25年后，才出現了只集成無源器件的小規模PIC產品。35年后，大規模PIC才取得重要突破，代表性產品即Infinera的100 Gbit/s光發射和接收芯片。近幾年，隨著技術的逐漸積累以及產業需求的旺盛，PIC產業才進入較快發展時期。目前，中小規模PIC已經成熟并取得廣泛商用，常見的產品主要有無源PIC，如光分路器、AWG、光開關陣列、VOA陣列等以及有源PIC，如激光器與電吸收調制器集成產品（EML）、激光器與馬赫—曾德爾調制器集成產品、激光器陣列和探測器陣列等，Finisar、JDSU、NeoPhotonics等業界主流的光器件廠商均有成熟產品。Infinera是大規模PIC技術及產業的引領者，其第三代產品已達到500 Gbit/s的速率，可實現超過600個元器件的單片集成，下一代產品將瞄準1 Tbit/s[22]。圖3為光子集成發展歷程。

在市場方面，北美地區PIC的需求比例最大，占有全球40%的份額；歐洲地區位列第二；亞太地區增長較快，年復合增長率高達35%。PIC的參與企業涵蓋多個領域，主要包括：Infinera、Alcatel-Lucent、華為、Ciena、Cisco等系統設備制造商，OneChip Photonics、Enablence、Finisar、JDSU、NeoPhotonics、Avago、Emcore、Oclaro、Luxtera、KAIAM、Aifotec等芯片/器件/模塊制造商以及Mellanox、Intel、IBM等解決方案和綜合服務提供商。從材料體系上劃分，主流PIC企業分為InP和Si兩大陣營，以Infinera和OneChip Photonics為代表的公司力推InP基PIC，并在產品和市場方面取得了較大突破，代表性產品如Infinera和OneChip Photonics分別推出的光發射/接收芯片。另一方面，以Luxtera、Intel、IBM和Cisco為代表的公司則認為Si基PIC最具成本和規模效益，將光子和微電子技術融合，可以使全球歷時數十年，投入數千億美元打造的微電子制造基礎設施及技術積累投入PIC領域，大幅提高PIC產業水平。代表性技術產品如Luxtera公司推出的基于CMOS工藝的AOC芯片，Cisco推出的應用于100 Gbit/s客戶側的CPAK光模塊以及Intel公司致力研發的混合集成激光器和芯片級光互聯技術。目前硅基PIC的市場規模較小，主要發展障礙依然是固有技術問題，且在短期內難有實質性的突破。

圖3 光子集成發展歷程

4 發展挑戰、前景與策略

PIC在技術和產業方面已取得了一定進展，但在大規模生產能力、集成度和規模商用方面仍然存在很多挑戰，與電子集成電路有一定差距。首先，電子集成電路由于功能單元結構一致，制作工藝相同，隨著硅材料工藝和微細加工技術的進步，發展速度較快；而PIC各個功能單元對材料和結構的要求都不盡相同，缺乏像電子集成電路那樣標準化的設計和制作工藝。其次，PIC產品的一致性要求較高，功能越復雜要求越苛刻，在生產的重復性和流程控制方面也無法與電子集成電路比擬，導致成品率較低且價格昂貴。另外，PIC與電子集成電路的集成度同比相差106～107倍，電子集成電路技術在22/20 nm工藝制程之前，基本沿Moore定律預測發展，“特征尺寸”不斷減小，集成規模急劇增加，價格同步快速下降，而PIC目前尚無明確的發展路線圖或時間表。最后，PIC目前的規模化行業應用不足，高昂的研發成本和較長的研發周期致使進入該領域的企業有限，產業鏈較為薄弱。

盡管PIC目前仍處于初級發展階段，但其成為光器件的主流發展趨勢已成必然，近幾年的發展速度亦有目共睹。隨著基礎材料制備、器件結構設計、核心制作工藝等核心關鍵技術的突破，加之產業需求的急劇升溫，特別是光互聯、超100 Gbit/s高速傳輸系統和FTTH接入終端對小尺寸、低功耗和低成本的強勁驅動，PIC在未來幾年將迎來更快的發展，集成度和大規模生產能力逐步提升，成本不斷下降，產業鏈進一步完善，并引發光器件、系統設備，乃至網絡和應用的重大變革。

硅光子是近年來光通信學術和產業界研究的熱點，硅基PIC目前主要應用于無源光器件，有源器件仍然以混合集成為主，全硅單片集成的實現尚需時日。目前硅基PIC主要面向數據中心的短距離互聯，在長距高速應用中，將會遇到波長穩定性等技術挑戰。近期來看，硅基PIC將成為光子集成領域不可缺少的一部分，但取得顛覆性突破的可能性不大。InP材料雖然在成本、規?；a能力方面遜色于硅，但它是目前唯一能夠實現通信波長大規模單片集成的材料，在未來一段時間內，特別是在長距高速傳送領域，將具有旺盛的生命力。

目前，全球多個國家都在對PIC進行大力投入，成果較為突出的研究機構集中在歐洲、美國和日本。在我國，PIC也得到了越來越多的重視，相繼獲得多項國家重大科研計劃的支持，在基礎理論方面取得了一定進展。然而，受技術水平和工藝條件的限制，國內的研發主體主要集中在中科院半導體所、微電子所、光迅、華為、成都馬爾斯、上海圭光等少數研究機構和企業，技術研究與實用化方面與國外存在較大差距。長期以來，光器件一直是我國光通信產業的短板，核心、高端產品依賴進口，是亟待解決的戰略性和基礎性問題。光子集成是光器件，乃至整個光通信產業革命的核心部分，我國應抓住這一技術產業變革契機，布局人才儲備，注重基礎工藝積累，推進PIC核心技術的研發與突破。一方面，從國家層面應對PIC予以積極扶植和大力投入，提供良好的政策環境；另一方面，企業等研發主體也應積極拓展融資渠道，形成發展合力，強壯PIC產業群體，從而大幅提升我國光器件國產化水平和自主創新能力。

5 結束語

光子集成是未來光器件的主流發展方向，經過多年積累已取得較大進展，很多產品被成功開發并應用，近幾年進入快速發展時期。本文首先從技術和產業兩個層面對PIC展開全面研究。在技術層面，總結并比較了PIC的不同分類方式；對PIC的材料特性、制作工藝以及每種材料適合制備的光器件種類進行了探討；分析了PIC的關鍵技術和實現難點。在產業層面，討論了PIC的產業發展驅動力，重點介紹PIC在傳送網、接入網和光互聯領域的迫切需求。其次，從產業發展歷程、產品種類、市場應用和主要參與企業等多個角度梳理了PIC產業的發展。最后，分析了PIC目前面臨的主要挑戰和未來應用前景，并探討我國PIC技術及產業發展的策略建議。

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