光子集成技术

Stewart E.Miller在他1969年的文章中曾经提到“可以确信的是，新的小型化光子电路技术将会充满前途，但我们需要去发现怎么利用它们”。就连Stewart E.Miller肯定也没有想到的是，直到他提出光子集成电路概念25年之后，才出现了只集成了无源光器件的PIC，35年之后的2004年才出现了同时集成有源与无源光器件的大规模PIC。

为了便于理解PIC技术，先对PIC进行分类。

首先，从功能的角度考虑，可以将PIC分为如下两类。

① 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，比如光滤波器、光复用/解复用器以及可调光衰减器等，普遍采用平面光波导（Planar Lightwave Circuit，PLC）技术，发展相对成熟。

② 有源PIC，或称之为光电PIC，这种PIC可以集成诸如激光器、调制器、PIN探测器以及光放大器等有源光器件，同时还可以集成光滤波器、可调衰减器等无源光器件。由于有源PIC往往涉及不同材料的光器件的集成，实现难度较大。因此有源PIC一直到2004年才取得重大突破，将数十个有源与无源光器件集成在一个芯片上，并成功实现了商用。

其次，从PIC的集成度可以将PIC分成以下3类。

① 小规模PIC：通常是指单片集成的功能元器件数量在10个以内的PIC，如集成了调制器的激光器、光收发一体模块等。小规模的PIC产品已经成熟并取得了广泛的商用。JDSU与Bookham等业界主流厂家均有成熟的相关产品。

② 中等规模PIC：单片集成的功能元器件数量在10～50个。除了可以是几种功能元器件的集成之外，还可以是多个波道的并行集成。中等规模的PIC商用产品基本都是集成了无源光器件，还没有中等规模有源PIC商品的报道。

③ 大规模PIC：单片集成的功能元器件大于50个，通常意味着对每个波长都集成若干个功能模块，同时实现多个波长的并行集成，比如每个PIC集成10个或者以上的波长信道。已经成熟商用的大规模PIC只有Infinera的PIC产品，图8-19给出了一种10×10Gbit/s光发送PIC的结构及实物图。它集成了10个波长信道，每个波长信道均实现了激光器、调制器、可调衰减器等器件的集成。大规模PIC能够最大程度地实现光子集成，从长远发展来看，大规模PIC是未来光子集成的发展方向。

根据PIC的基底材料进行分类。现有PIC所采用的基底材料主要包括磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）、铌酸锂（LiNbO3）、硅以及二氧化硅。首先，硅/二氧化硅是生产电子集成电路所用的基础材料，其价格便宜并且性能稳定，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3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。虽然有很多的研究机构一直致力于硅基有源光器件的研究，并力争有所突破，Intel等研究机构也取得了令人瞩目的研究成果，硅基材料主要应用于无源PIC（如阵列波导光栅（AWG）等），采用硅基材料的混合集成大规模PIC已经取得一定进展。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，铌酸锂晶体并没有实际应用的价值。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，因此，采用砷化镓材料的有源光器件仅适用于局域网，对于长距离、大容量的WDM传输系统来说，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。利用磷化铟材料，可以同时实现激光发射、探测、光放大以及电光调制，也可以实现波长复用/解复用、可调光衰减器、光开关以及色散补偿，因此，这就使得通过磷化铟材料实现大规模单片PIC成为可能。已经商用的Infinera大规模PIC采用的就是磷化铟材料。

最后，与划分电子集成电路一样，还可以将PIC分为单片集成PIC和混合集成PIC。混合集成PIC指的是将不同的单个功能的光器件集成在一个器件中。许多常见的光器件都利用混合集成的技术来实现，然而由于材料自身的特性，有源与无源光器件所使用的最佳材料并不一致，各方面物理特性（比如膨胀系数等）以及封装要求也会有所差别，这样就使得集成多个分立的元器件并保证器件性能变得非常复杂，尤其是在实现大规模PIC时这个问题更为突出。相比而言，单片集成的PIC通过一种材料实现各种有源、无源的光器件，因此，不会存在各种不同材料之间适配的问题。单片PIC无论是在节能还是在可靠性等方面，相比混合式PIC都具有明显的优势。

从上面的分析也可以看出，PIC的关键技术主要包括以下几个方面：一是采用何种材料以及何种工艺来实现PIC；二是不同的光器件往往使用不同的衬底材料，如何将不同材料的光器件实现集成，或者如何在同一衬底材料上实现所有的光器件功能；三是如何提高PIC的大规模生产能力，这将是降低PIC成本和实现大规模应用的关键。

中小规模集成技术发展相对比较成熟，常见的产品主要有无源PIC（如AWG、ROADM等）和有源PIC（DFB+EA激光器、DFB激光器阵列等）。一些光器件公司也在致力于开发集成可调谐激光器与马赫-曾德尔调制器产品，从而实现在XFP收发器上实现可调谐性。

从目前来看，在硅基PIC尚不能取得实质性突破之时，采用磷化铟材料的单片集成是实现大规模PIC的有效解决方案。然而，PIC技术从提出至今已有40年的历史，发展速度一直都很缓慢，大规模单片PIC也只是在近几年才取得了突破性的进展。这其中有其固有的技术原因，如何将有源与无源光器件集成在一个单片上一直是一个难题，2001年网络泡沫的破裂也给耗资巨大的PIC技术的发展带来很大影响，很多厂商在泡沫破裂之后选择退出PIC技术的研发。2004年，PIC技术取得了重要突破，采用磷化铟材料的商用100Gbit/s的光发射以及光接收PIC芯片推出，集成了超过50个光学元器件和6个不同的功能单元，如图8-20所示。

PIC技术整体设计的思路是不拘泥于追求单个光器件的具体性能指标，而是将这些集成光器件看作一个有机整体，争取其整体网络性能的最大化。生产厂家在制作基于磷化铟的大规模PIC过程中，不局限于仅仅改进已有磷化铟的生长工艺，而是寻求新的突破口，综合考虑了已有磷化铟和硅的生长工艺，结合二者的优点，致力于提高生产的重复性和流程控制。虽然磷化铟是稀有材料，价格相对来说十分昂贵，因而生产出的PIC芯片相比基于硅基材料生产的电子集成电路芯片，价格要高出很多，但是磷化铟材料是实现大规模PIC的唯一材料。除了商用10×10Gbit/s大规模PIC之外，生产厂家在10×40Gbit/s以及40×40Gbit/s的PIC芯片技术方面取得了实质进步，并将在未来的高速传输设备中应用。

Infinera是大规模PIC技术及产业的领导者，阿尔卡特朗讯贝尔实验室也在进行PIC方面的研究，致力于开发用于阿尔卡特朗讯商用“1696”DWDM设备的10×10Gbit/s PIC芯片，该芯片采用高性能的AlInAs/GaInAs APD探测器，其无放大最大传输距离可以达到70km，此外，贝尔实验室还在开发采用新调制码型的100Gbit/s PIC芯片，提出了全新的设计和构想，可以实现新的调制码型以及相干探测。华为公司也在近些年投入了大量精力致力于PIC领域的开发（华为公司称之为PID），在2011年推出100Gbit/s的PID芯片，并实现商用。Infinera PIC产品在商业上的巨大成功吸引了众多其他设备商和研究机构对PIC研究的关注，掀起了PIC研究的热潮，他们除了在努力跟上Infinera的PIC步伐之外，也在致力于研究其他，尤其是硅基大规模PIC实现技术。

虽然硅基材料在实现PIC方面有着天然的不足，它本身不能够实现激光激射，不能够作为通信常用波段的光电探测器，同时也不能够实现电光调制的功能。但是硅基电子集成电路的巨大成功吸引了众多研究机构致力于在PIC的研究中采用硅基材料。Intel公司采用混合集成的方式在世界上首次实现了硅基激光器，其主要技术突破在于开发了将磷化铟激光器集成在硅基基底的化学处理技术。Intel一直以来致力于开发硅基PIC的主要推动因素在于其对未来芯片与芯片之间以及主板与主板之间高速光子互联的迫切需求。Intel设想的一种集成了硅基激光器以及高速电光调制器的大规模硅基PIC，调制器的调制带宽高达40Gbit/s，同时实现25个波长的集成，这样的单片PIC的发送能力将达到1Tbit/s。

Luxtera公司也在致力于硅基混合集成PIC的研究，已经实现了将磷化铟激光器集成在硅基基底上。与Intel不同的是，Luxtera公司开发硅基PIC的主要目的是应用于服务器与服务器之间、服务器与交换机之间的高速互联等应用场合，因此其传输距离要远大于Intel，可以达到数百米甚至两千米。同时，Luxtera公司在硅基PIC的集成工艺上也与Intel不同，它采用电子集成电路常用的CMOS工艺实现PIC，实现方式较Intel要简化很多，其产品也较Intel更接近于实际商用。

根据Heavy Reading公司的调查结果显示，多数的电信运营商考虑在未来的5年内部署100Gbit/s传输系统，如图8-23所示。

网络的整体升级意味着电信运营商需要投入大量的资金和人力，网络上数据流量源源不断地涌入迫使运营商不得不在盈利越来越少的情况下对光传送网进行升级。

实际应用的WDM传输系统绝大多数都采用分离的元器件，为了利用现有的光纤资源实现40G和100G的长距离传输，40G和100G系统需要采用更为复杂的调制码型，从而使得光收发器的结构异常复杂，成本也大大增加。根据这样的计算，一个拥有10%互联网传输容量的电信运营商，每天就将需要安装4000个DWDM转发器，而技术人员的数量也将需要增加200倍。如何能够在网络升级的同时降低单位成本便成为各大运营商和设备商需要解决的一大难题。要解决这个问题，PIC将起到至关重要的作用。

通过将很多的光学元器件集成在一个单片之中，大规模单片PIC使得系统尺寸、功耗以及可靠性都得到大幅度提高，同时大大降低了系统成本。首先，PIC的应用使得传输系统所需要的独立光器件数量大大降低，同时大大减少了光器件封装的次数。通常，光器件封装及相关的装配过程所需要的成本占整个光器件成本的一大半。对于复杂的光器件，封装装配成本甚至可以高达80%。因此将数十个光器件集成在一个单片中，然后进行封装可以大大降低系统的成本。其次，集成PIC消除了不同光器件之间的光纤连接，从而避免了高精度的光纤耦合需求，大大降低了耦合成本。同时，每一次光纤耦合都是一个可能的失效点，在机械抖动、温度变化及震动等因素的影响下，光纤耦合处容易发生失效，因此在传输系统中大量使用光纤耦合会降低系统的可靠性。正因为如此，70%的光通信设备失效都是由光纤耦合失效引起的。采用了PIC之后的光传输设备，由于大大减少了光纤耦合的需求，系统的可靠性得到大幅度提高。此外，在对采用了PIC的光传输系统进行升级时，所有PIC内部的光器件只需要一次升级就可完成，大大节省了升级成本。因此，PIC可以满足当前网络升级的需求，可以在大幅提高传输容量的同时，降低单位成本。

无论在技术还是在市场上，PIC近几年都取得了突破性的进展。但是与电子集成电路相比，无论从集成度、性能还是成本，都还存在巨大的差距。可以预测，PIC将来的发展方向将会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也有其自身的缺点，比如磷化铟是稀有材料，PIC产品成本较高，同时，采用磷化铟作为基底材料不便于与现有硅基材料器件的大规模集成，不能实现将来光子器件与电子器件的大规模集成。各公司正在努力使得磷化铟成为唯一能够实现商用的大规模PIC的材料。可以预见的情形来看，硅基光子学在未来的几年内较难取得突破性进展。因此，继续采用磷化铟材料作为衬底进行大规模PIC开发在商业上将是比较明智的选择。从技术角度而言，采用磷化铟作为衬底材料也面临着很多技术难题，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）研究硅基大规模PIC

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，更是深刻地改变了人类的生活方式。从PIC技术诞生至今，人们都一直在努力通过电子集成电路成熟的技术和工艺实现PIC。但是硅基材料的发光效率很低，不能探测到1310nm和1550nm的光，同时受到材料本身的限制，不能够实现电光调制，这些都大大限制了硅基PIC技术的发展。硅基PIC研究方向主要集中在通过混合集成的方式实现硅基有源光器件，同时，研究如何利用现有成熟的CMOS工艺实现PIC。Intel、贝尔实验室以及Luxtera等公司和研究机构都在进行此方面的研究，并取得了一定的研究进展。

（3）研究集成光逻辑器件

这是实现真正光子电路必须解决的关键技术。光子器件目前与电子器件最大的区别在于电子有非常简单和容易实现的逻辑器件，而光子逻辑器件还仅是在实验室内实现简单逻辑的水平，且体积庞大，实现复杂。集成光逻辑器件的研究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。然而，集成光逻辑器件是实现光逻辑信号处理的先决条件。只有集成光逻辑器件取得突破性进展，才有可能真正实现与当今电子集成电路类似的真正意义上的光子电路。

高速传输提高了线路传输容量，PIC可以提高设备的集成度，集成了高速接口和PIC的OTN设备，将带宽优势和组网调度功能充分结合在一起，OTN设备可以改进高质量高速链路疏导。OTN引入将极大地改进网络透明性，有利于统一的端到端OTN物理传送和管理。