光子集成技術

隨著網路升級壓力的增加和綠色減排呼聲的日益增強，運營商不僅需要以較低的成本實現網路的升級，更需要付出更少的能耗代價。與電子積體電路技術類似，光子積體電路技術的逐漸成熟必將會引起光信息技術領域的又一次革命。

PIC （Photonic Integrated Circuit：光子積體電路）的概念與電子積體電路的概念類似，只不過電子積體電路集成的是電晶體、電容器、電阻器等電子器件，而PIC集成的是各種不同的光學器件或光電器件，比如雷射器、電光調製器、光電探測器、光衰減器、光復用/解復用器以及光放大器等。

基本介紹

• 中文名：光子集成技術
• 外文名：Photonic integration technology

PIC技術現狀

Stewart E.Miller在他1969年的文章中曾經提到“可以確信的是，新的小型化光子電路技術將會充滿前途，但我們需要去發現怎么利用它們”。就連Stewart E.Miller肯定也沒有想到的是，直到他提出光子積體電路概念25年之後，才出現了只集成了無源光器件的PIC，35年之後的2004年才出現了同時集成有源與無源光器件的大規模PIC。

PIC的分類

為了便於理解PIC技術，先對PIC進行分類。

首先，從功能的角度考慮，可以將PIC分為如下兩類。

① 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，比如光濾波器、光復用/解復用器以及可調光衰減器等，普遍採用平面光波導（Planar Lightwave Circuit，PLC）技術，發展相對成熟。

② 有源PIC，或稱之為光電PIC，這種PIC可以集成諸如雷射器、調製器、PIN探測器以及光放大器等有源光器件，同時還可以集成光濾波器、可調衰減器等無源光器件。由於有源PIC往往涉及不同材料的光器件的集成，實現難度較大。因此有源PIC一直到2004年才取得重大突破，將數十個有源與無源光器件集成在一個晶片上，並成功實現了商用。

其次，從PIC的集成度可以將PIC分成以下3類。

① 小規模PIC：通常是指單片集成的功能元器件數量在10個以內的PIC，如集成了調製器的雷射器、光收發一體模組等。小規模的PIC產品已經成熟並取得了廣泛的商用。JDSU與Bookham等業界主流廠家均有成熟的相關產品。

② 中等規模PIC：單片集成的功能元器件數量在10～50個。除了可以是幾種功能元器件的集成之外，還可以是多個波道的並行集成。中等規模的PIC商用產品基本都是集成了無源光器件，還沒有中等規模有源PIC商品的報導。

③ 大規模PIC：單片集成的功能元器件大於50個，通常意味著對每個波長都集成若干個功能模組，同時實現多個波長的並行集成，比如每個PIC集成10個或者以上的波長信道。已經成熟商用的大規模PIC只有Infinera的PIC產品，圖8-19給出了一種10×10Gbit/s光傳送PIC的結構及實物圖。它集成了10個波長信道，每個波長信道均實現了雷射器、調製器、可調衰減器等器件的集成。大規模PIC能夠最大程度地實現光子集成，從長遠發展來看，大規模PIC是未來光子集成的發展方向。

根據PIC的基底材料進行分類。現有PIC所採用的基底材料主要包括磷化銦（InP）、砷化鎵（GaAs）、鈮酸鋰（LiNbO₃）、矽以及二氧化矽。首先，矽/二氧化矽是生產電子積體電路所用的基礎材料，其價格便宜並且性能穩定，加工工藝簡單成熟，成品率高，非常適合規模化生產。但是矽基材料在PIC中套用時卻有3個致命的缺點：一是雷射發射效率很低，矽基雷射器非常難以實現；二是矽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採用的波段；三是由於矽基材料本身的限制，無法實現電光調製。雖然有很多的研究機構一直致力於矽基有源光器件的研究，並力爭有所突破，Intel等研究機構也取得了令人矚目的研究成果，矽基材料主要套用於無源PIC（如陣列波導光柵（AWG）等），採用矽基材料的混合集成大規模PIC已經取得一定進展。其次是鈮酸鋰晶體，鈮酸鋰晶體主要用於製作高性能的電光調製器，其調製頻寬高，調製線性度好，受到了廣泛套用。但是鈮酸鋰晶體不能實現雷射激射，也不能作為光探測器，同時，其加工處理工藝也非常複雜，因此對於大規模PIC來說，鈮酸鋰晶體並沒有實際套用的價值。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徵帶隙決定了它只能夠在波長為850nm的範圍內工作，因此，採用砷化鎵材料的有源光器件僅適用於區域網路，對於長距離、大容量的WDM傳輸系統來說，其套用受到很大限制。僅有磷化銦材料能夠同時集成有源與無源光器件，並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，便於節約成本。利用磷化銦材料，可以同時實現雷射發射、探測、光放大以及電光調製，也可以實現波長復用/解復用、可調光衰減器、光開關以及色散補償，因此，這就使得通過磷化銦材料實現大規模單片PIC成為可能。已經商用的Infinera大規模PIC採用的就是磷化銦材料。

最後，與劃分電子積體電路一樣，還可以將PIC分為單片集成PIC和混合集成PIC。混合集成PIC指的是將不同的單個功能的光器件集成在一個器件中。許多常見的光器件都利用混合集成的技術來實現，然而由於材料自身的特性，有源與無源光器件所使用的最佳材料並不一致，各方面物理特性（比如膨脹係數等）以及封裝要求也會有所差別，這樣就使得集成多個分立的元器件並保證器件性能變得非常複雜，尤其是在實現大規模PIC時這個問題更為突出。相比而言，單片集成的PIC通過一種材料實現各種有源、無源的光器件，因此，不會存在各種不同材料之間適配的問題。單片PIC無論是在節能還是在可靠性等方面，相比混合式PIC都具有明顯的優勢。

從上面的分析也可以看出，PIC的關鍵技術主要包括以下幾個方面：一是採用何種材料以及何種工藝來實現PIC；二是不同的光器件往往使用不同的襯底材料，如何將不同材料的光器件實現集成，或者如何在同一襯底材料上實現所有的光器件功能；三是如何提高PIC的大規模生產能力，這將是降低PIC成本和實現大規模套用的關鍵。

PIC技術發展現狀

中小規模集成技術發展相對比較成熟，常見的產品主要有無源PIC（如AWG、ROADM等）和有源PIC（DFB+EA雷射器、DFB雷射器陣列等）。一些光器件公司也在致力於開發集成可調諧雷射器與馬赫-曾德爾調製器產品，從而實現在XFP收發器上實現可調諧性。

從目前來看，在矽基PIC尚不能取得實質性突破之時，採用磷化銦材料的單片集成是實現大規模PIC的有效解決方案。然而，PIC技術從提出至今已有40年的歷史，發展速度一直都很緩慢，大規模單片PIC也只是在近幾年才取得了突破性的進展。這其中有其固有的技術原因，如何將有源與無源光器件集成在一個單片上一直是一個難題，2001年網路泡沫的破裂也給耗資巨大的PIC技術的發展帶來很大影響，很多廠商在泡沫破裂之後選擇退出PIC技術的研發。2004年，PIC技術取得了重要突破，採用磷化銦材料的商用100Gbit/s的光發射以及光接收PIC晶片推出，集成了超過50個光學元器件和6個不同的功能單元，如圖8-20所示。

PIC技術整體設計的思路是不拘泥於追求單個光器件的具體性能指標，而是將這些集成光器件看作一個有機整體，爭取其整體網路性能的最大化。生產廠家在製作基於磷化銦的大規模PIC過程中，不局限於僅僅改進已有磷化銦的生長工藝，而是尋求新的突破口，綜合考慮了已有磷化銦和矽的生長工藝，結合二者的優點，致力於提高生產的重複性和流程控制。雖然磷化銦是稀有材料，價格相對來說十分昂貴，因而生產出的PIC晶片相比基於矽基材料生產的電子積體電路晶片，價格要高出很多，但是磷化銦材料是實現大規模PIC的唯一材料。除了商用10×10Gbit/s大規模PIC之外，生產廠家在10×40Gbit/s以及40×40Gbit/s的PIC晶片技術方面取得了實質進步，並將在未來的高速傳輸設備中套用。

Infinera是大規模PIC技術及產業的領導者，阿爾卡特朗訊貝爾實驗室也在進行PIC方面的研究，致力於開發用於阿爾卡特朗訊商用“1696”DWDM設備的10×10Gbit/s PIC晶片，該晶片採用高性能的AlInAs/GaInAs APD探測器，其無放大最大傳輸距離可以達到70km，此外，貝爾實驗室還在開發採用新調製碼型的100Gbit/s PIC晶片，提出了全新的設計和構想，可以實現新的調製碼型以及相干探測。華為公司也在近些年投入了大量精力致力於PIC領域的開發（華為公司稱之為PID），在2011年推出100Gbit/s的PID晶片，並實現商用。Infinera PIC產品在商業上的巨大成功吸引了眾多其他設備商和研究機構對PIC研究的關注，掀起了PIC研究的熱潮，他們除了在努力跟上Infinera的PIC步伐之外，也在致力於研究其他，尤其是矽基大規模PIC實現技術。

雖然矽基材料在實現PIC方面有著天然的不足，它本身不能夠實現雷射激射，不能夠作為通信常用波段的光電探測器，同時也不能夠實現電光調製的功能。但是矽基電子積體電路的巨大成功吸引了眾多研究機構致力於在PIC的研究中採用矽基材料。Intel公司採用混合集成的方式在世界上首次實現了矽基雷射器，其主要技術突破在於開發了將磷化銦雷射器集成在矽基基底的化學處理技術。Intel一直以來致力於開發矽基PIC的主要推動因素在於其對未來晶片與晶片之間以及主機板與主機板之間高速光子互聯的迫切需求。Intel構想的一種集成了矽基雷射器以及高速電光調製器的大規模矽基PIC，調製器的調製頻寬高達40Gbit/s，同時實現25個波長的集成，這樣的單片PIC的傳送能力將達到1Tbit/s。

Luxtera公司也在致力於矽基混合集成PIC的研究，已經實現了將磷化銦雷射器集成在矽基基底上。與Intel不同的是，Luxtera公司開發矽基PIC的主要目的是套用於伺服器與伺服器之間、伺服器與交換機之間的高速互聯等套用場合，因此其傳輸距離要遠大於Intel，可以達到數百米甚至兩千米。同時，Luxtera公司在矽基PIC的集成工藝上也與Intel不同，它採用電子積體電路常用的CMOS工藝實現PIC，實現方式較Intel要簡化很多，其產品也較Intel更接近於實際商用。

PIC產業需求

根據Heavy Reading公司的調查結果顯示，多數的電信運營商考慮在未來的5年內部署100Gbit/s傳輸系統，如圖8-23所示。

網路的整體升級意味著電信運營商需要投入大量的資金和人力，網路上數據流量源源不斷地湧入迫使運營商不得不在盈利越來越少的情況下對光傳送網進行升級。

實際套用的WDM傳輸系統絕大多數都採用分離的元器件，為了利用現有的光纖資源實現40G和100G的長距離傳輸，40G和100G系統需要採用更為複雜的調製碼型，從而使得光收發器的結構異常複雜，成本也大大增加。根據這樣的計算，一個擁有10%網際網路傳輸容量的電信運營商，每天就將需要安裝4000個DWDM轉發器，而技術人員的數量也將需要增加200倍。如何能夠在網路升級的同時降低單位成本便成為各大運營商和設備商需要解決的一大難題。要解決這個問題，PIC將起到至關重要的作用。

通過將很多的光學元器件集成在一個單片之中，大規模單片PIC使得系統尺寸、功耗以及可靠性都得到大幅度提高，同時大大降低了系統成本。首先，PIC的套用使得傳輸系統所需要的獨立光器件數量大大降低，同時大大減少了光器件封裝的次數。通常，光器件封裝及相關的裝配過程所需要的成本占整個光器件成本的一大半。對於複雜的光器件，封裝裝配成本甚至可以高達80%。因此將數十個光器件集成在一個單片中，然後進行封裝可以大大降低系統的成本。其次，集成PIC消除了不同光器件之間的光纖連線，從而避免了高精度的光纖耦合需求，大大降低了耦合成本。同時，每一次光纖耦合都是一個可能的失效點，在機械抖動、溫度變化及震動等因素的影響下，光纖耦合處容易發生失效，因此在傳輸系統中大量使用光纖耦合會降低系統的可靠性。正因為如此，70%的光通信設備失效都是由光纖耦合失效引起的。採用了PIC之後的光傳輸設備，由於大大減少了光纖耦合的需求，系統的可靠性得到大幅度提高。此外，在對採用了PIC的光傳輸系統進行升級時，所有PIC內部的光器件只需要一次升級就可完成，大大節省了升級成本。因此，PIC可以滿足當前網路升級的需求，可以在大幅提高傳輸容量的同時，降低單位成本。

PIC技術的發展方向

無論在技術還是在市場上，PIC近幾年都取得了突破性的進展。但是與電子積體電路相比，無論從集成度、性能還是成本，都還存在巨大的差距。可以預測，PIC將來的發展方向將會主要集中在以下幾個方面。

（1）繼續採用磷化銦材料作為襯底開展大規模PIC技術研究

雖然採用磷化銦作為襯底也有其自身的缺點，比如磷化銦是稀有材料，PIC產品成本較高，同時，採用磷化銦作為基底材料不便於與現有矽基材料器件的大規模集成，不能實現將來光子器件與電子器件的大規模集成。各公司正在努力使得磷化銦成為唯一能夠實現商用的大規模PIC的材料。可以預見的情形來看，矽基光子學在未來的幾年內較難取得突破性進展。因此，繼續採用磷化銦材料作為襯底進行大規模PIC開發在商業上將是比較明智的選擇。從技術角度而言，採用磷化銦作為襯底材料也面臨著很多技術難題，如何提高集成度、提高晶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）研究矽基大規模PIC

矽基材料在電子積體電路中套用廣泛，電子積體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。矽基電子積體電路不僅取得了商業上的巨大成功，更是深刻地改變了人類的生活方式。從PIC技術誕生至今，人們都一直在努力通過電子積體電路成熟的技術和工藝實現PIC。但是矽基材料的發光效率很低，不能探測到1310nm和1550nm的光，同時受到材料本身的限制，不能夠實現電光調製，這些都大大限制了矽基PIC技術的發展。矽基PIC研究方向主要集中在通過混合集成的方式實現矽基有源光器件，同時，研究如何利用現有成熟的CMOS工藝實現PIC。Intel、貝爾實驗室以及Luxtera等公司和研究機構都在進行此方面的研究，並取得了一定的研究進展。

（3）研究集成光邏輯器件

這是實現真正光子電路必須解決的關鍵技術。光子器件目前與電子器件最大的區別在於電子有非常簡單和容易實現的邏輯器件，而光子邏輯器件還僅是在實驗室內實現簡單邏輯的水平，且體積龐大，實現複雜。集成光邏輯器件的研究仍處於基礎研究階段，能夠實現的邏輯水平與電子邏輯器件相比相差甚遠。然而，集成光邏輯器件是實現光邏輯信號處理的先決條件。只有集成光邏輯器件取得突破性進展，才有可能真正實現與當今電子積體電路類似的真正意義上的光子電路。

高速傳輸提高了線路傳輸容量，PIC可以提高設備的集成度，集成了高速接口和PIC的OTN設備，將頻寬優勢和組網調度功能充分結合在一起，OTN設備可以改進高質量高速鏈路疏導。OTN引入將極大地改進網路透明性，有利於統一的端到端OTN物理傳送和管理。