三維光子集成芯片的進展與挑戰(zhàn)（特邀）

尹悅鑫，許馨如，丁穎智，姚夢可，曾國宴，張大明

（吉林大學電子科學與工程學院集成光電子學國家重點實驗室，長春 130012）

0 引言

以光為媒介的通信系統(tǒng)在光纖器件上得到了廣泛的應用，隨著5G 網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心的提出，對短距離通信提出了更大的容量與更低的功耗的要求［1-4］。光子集成芯片（Photonic Integrated Circuits，PICs）具有高度集成化的特點，可實現(xiàn)復雜片上光網(wǎng)絡、拓展通信帶寬、降低通信成本［4-6］。不同的材料平臺，如硅光子平臺（Silicon Photonics，SiPh）［7，8］、氮化硅平臺（Silicon Nitride，SiN）［9，10］、Ⅲ-Ⅴ族材料平臺［11，12］、二氧化硅平臺［13，14］和聚合物平臺［15，16］，均已實現(xiàn)了多種功能的光子集成芯片。例如，硅光子平臺由于其高折射率差、互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工藝兼容的特點，是實現(xiàn)緊湊器件和大規(guī)模生產(chǎn)的光子平臺。然而，受限于光刻窗口，目前可以實現(xiàn)的最大規(guī)模的光交叉僅為64×64［17］，不能滿足日益增長的通信容量與互聯(lián)端口數(shù)目的需求。為了進一步提高集成光子集成芯片的集成度，拓展光子集成芯片的功能，人們將目光放在了三維光子集成芯片（Three Dimensional Photonics Integrated Circuits，3D-PICs）上［18-21］。三維光子集成芯片的概念起源于三維電子集成芯片，在集成電路中將電路進行多層堆疊，通過硅通孔（Through-Silicon-Vias，TSVs）實現(xiàn)層間的控制，多層堆疊的集成電路不僅可以實現(xiàn)高密度的集成電路芯片，TSV 的引入還可以極大降低走線的復雜度和長度，降低由于連接線所引入的功耗、延時，進而擴大通信容量帶寬，降低噪聲［21］。在光子集成芯片領(lǐng)域，通過光通孔（Through-Silicon-Optical-Via，TSOV），即層間轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)多層光子器件之間的互聯(lián)。層間的波導交叉相比層內(nèi)的波導交叉呈現(xiàn)出更低的損耗和串擾，為實現(xiàn)更大規(guī)模光子集成器件提供了可能。……