光電集成技術(shù)研究綜述

   ICC訊 從大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展來看，基于光子元器件和光子集成技術(shù)的光通信經(jīng)歷了從國家級骨干網(wǎng)、光纖到戶、設(shè)備間和板級光纖互聯(lián)直至模塊級光互聯(lián)的長期演進(jìn)之路。隨著超高速、超寬帶、低功耗、超短時等通信發(fā)展要求的不斷提升，如5G和6G移動通信，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，光、電融合成為重大技術(shù)發(fā)展趨勢，核心技術(shù)的發(fā)展開始聚焦于芯片級的光電集成。

  歷史上，1972年美國加州理工學(xué)院的Yariv教授等人提出光電集成的概念，并率先于1978年研制出世界上第一個僅由一個短波長(850nm)GaAs激光二極管和一個GaAs耿氏二極管構(gòu)成的光電集成單片。在過去40余年的時間里，伴隨著光子集成技術(shù)的發(fā)展與成熟，將多個光子器件與電子器件集成在一個模塊甚至單塊芯片的技術(shù)已逐步實現(xiàn)。隨著未來網(wǎng)絡(luò)通信更新?lián)Q代速度的加快，應(yīng)用需求與光電器件性能、尺寸、成本等之間的矛盾將日趨明顯，光電集成技術(shù)作為解決該矛盾的最主要手段，將日益成為國內(nèi)外光電領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和爭相研究的熱點。

  一、光電集成技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與進(jìn)展

  經(jīng)過幾十年的發(fā)展，光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)取得了巨大的成就。光電子對于國家社會與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐作用已經(jīng)成為各國共識。例如，美國國家科學(xué)委員會(National Academies)在提交給白宮的白皮書《Optics and Photonics: Essential Technologies for Our Nation》中強調(diào)“光子學(xué)是重拾美國競爭力和維護(hù)國家安全的關(guān)鍵”;歐洲21世紀(jì)光子咨詢專家組提交的《Towards 2020-Photonics Driving Economic Growth in Europe》中明確指出“奔向2020的光子學(xué)將成為歐洲經(jīng)濟(jì)增長的重要支撐”。光電子作為前沿科學(xué)研究中的重要組成部分，一直以來備受各國重視。許多國家紛紛設(shè)立了各種光電子研究計劃，例如美國的UHPC、EPIC、UNIC、POEM等;歐盟的HELIOS、PhotonFAB、ERA-NET-PLUS等;以及日本的First Program、TIA等。

  光電集成技術(shù)針對前沿進(jìn)展、應(yīng)用需求和信息處理的不同階段，形成了不同的學(xué)科分類，如針對寬帶光通信技術(shù)的需求形成了高速光電子信息學(xué)科;針對在微納尺度上實現(xiàn)各種新型功能材料和器件發(fā)展形成了微納光子學(xué)和超高分辨成像及顯示學(xué)科;針對半導(dǎo)體照明和紫外光探測日益增長的需求，形成了寬禁帶半導(dǎo)體光電子學(xué)科。另外，目前單元器件技術(shù)基本成熟，但是沒有一種材料體系可以成為唯一的光子集成材料體系，多種材料體系并存將成為未來很長一段時間內(nèi)光電子集成技術(shù)的狀態(tài)。

  下面針對典型的光電子器件與集成技術(shù)分別進(jìn)行闡述。

  (一)光通信及信息處理功能集成芯片

  面對光通信和信息處理所面臨的技術(shù)瓶頸，光通信及信息處理功能集成芯片的設(shè)計、制備、封裝以及應(yīng)用技術(shù)都取得了較大的進(jìn)展。主要研究現(xiàn)狀與進(jìn)展如下所述：

  功能材料：近年來，二維原子晶體、拓?fù)浣^緣體等一系列新材料領(lǐng)域的突破，為探索新原理、新結(jié)構(gòu)信息功能器件提供了發(fā)展機遇。掌握了半導(dǎo)體新材料與新原理器件技術(shù)，就搶占了下一代信息技術(shù)的制高點。抓住新型信息功能材料所帶來的機遇，探索新結(jié)構(gòu)、新原理器件，將為信息技術(shù)的新發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

  集成技術(shù)：光子集成是突破信息系統(tǒng)面臨的“速率”、“功耗”、“智能化”等瓶頸的必由之路，目前單元器件技術(shù)基本成熟，如何實現(xiàn)多材料體系、多種功能器件的系統(tǒng)集成是亟待研究解決的難題。此外，面向?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)和5G通信，需重點解決制備工藝兼容性、模場匹配、光模式交叉耦合等關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)。

  系統(tǒng)應(yīng)用：從西方各國在光通信領(lǐng)域的競爭態(tài)勢看，Pbit/s級超大容量超長距離光傳輸、數(shù)據(jù)中心光互連、片上光網(wǎng)絡(luò)、硅基多材料混合的光電融合集成芯片和器件、大容量空間光傳輸?shù)染蔀閲H熱點問題。未來的競爭將主要體現(xiàn)在“下一代超大容量光傳輸和光接入”、“高密度、高帶寬、低延遲、低功耗的新一代數(shù)據(jù)中心光互連”、“新型可見光通信”和“空天地一體化光傳輸”等多種平臺建設(shè)。

  (二)超高分辨成像及顯示芯片技術(shù)

  近十年來，國際上開始大力發(fā)展微納光子學(xué)及其技術(shù)，使光電子技術(shù)與納米技術(shù)相結(jié)合，對現(xiàn)有的光電子技術(shù)進(jìn)行升級改造。從基礎(chǔ)理論、微納結(jié)構(gòu)的功能型器件到集成的微納光子學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用以及高分辨實時獲得圖像技術(shù)，微納光子學(xué)與光電子器件集成領(lǐng)域涌現(xiàn)出大量的創(chuàng)新性原理、手段與技術(shù)，并有望在微納尺度上實現(xiàn)各種新型功能器件，為新一代儀器技術(shù)開創(chuàng)新的平臺。

  基礎(chǔ)理論：當(dāng)微納結(jié)構(gòu)的特征尺寸達(dá)到納米甚至原子尺度時，宏觀Maxwell方程組中的物質(zhì)參數(shù)會發(fā)生變化，產(chǎn)生各種特殊光學(xué)效應(yīng)，例如光場局域化突破衍射極限、電磁場增強、輻射增強、吸收/透射/反射增強、非線性效應(yīng)增強、慢光效應(yīng)、深亞波長結(jié)構(gòu)等效介質(zhì)效應(yīng)等。這些特殊光學(xué)效應(yīng)難以采用傳統(tǒng)的光學(xué)理論解釋，需要具體考慮不同結(jié)構(gòu)中的不同物理過程。明確這些特殊光學(xué)效應(yīng)的物理機制將為微納光子器件的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。同時，微納光子結(jié)構(gòu)中，由于光場強烈的局域效應(yīng)，使得光場與其他物理場的耦合增強。光、機、電、熱等多物理場之間的復(fù)雜耦合，也需要發(fā)展相應(yīng)的理論和算法加以求解。目前國際上已能處理一些多物理場的耦合問題，但是遠(yuǎn)未達(dá)到徹底解決問題的程度。

  功能器件：微納光子學(xué)的功能器件能夠在微納尺度實現(xiàn)光的產(chǎn)生、傳輸、調(diào)控、探測和傳感等，具有尺寸小、速度快和克服傳統(tǒng)衍射極限等優(yōu)點。目前基于納米光子波導(dǎo)、光子晶體、表面等離激元以及人工電磁超材料的微納光電子新型功能器件，能夠調(diào)控微納尺度下的光場，產(chǎn)生奇異電磁響應(yīng)和色散特性，并已用來初步實現(xiàn)微納尺度的集成光源、全光交換器、光開關(guān)、光調(diào)制器等。在基于砷化鎵、磷化銦、氮化鎵等無機半導(dǎo)體材料的光電子器件基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展新型復(fù)合納米光電材料和多種異質(zhì)光電材料的微納加工技術(shù)和集成技術(shù)，是目前國際研究熱點。此外，采用有機半導(dǎo)體材料的功能型器件，如OLED、有機薄膜太陽能電池(OSC)、有機薄膜晶體管(OTFT)等，也獲得了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

  系統(tǒng)應(yīng)用：通過微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以有效提高光電能源的轉(zhuǎn)換效率，并應(yīng)用在太陽能電池的光伏轉(zhuǎn)換效率提升方面;通過亞波長結(jié)構(gòu)組合而成的人工復(fù)合介質(zhì)，可以產(chǎn)生電磁隱身、光學(xué)欺騙等新穎物理現(xiàn)象，在光信號的探測與反探測方面有重要應(yīng)用;具有納米分辨的光學(xué)顯微成像技術(shù)，在生物醫(yī)學(xué)成像、信息存儲、精密光刻、材料分析等領(lǐng)域有很重要應(yīng)用;利用無源納米結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)高靈敏度的生物傳感器，目前廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)檢測、疾病早期診斷方面;基于微納光子芯片系統(tǒng)可以實現(xiàn)集成型的超高精度頻率(時間)標(biāo)準(zhǔn)，滿足小型衛(wèi)星、導(dǎo)彈和便攜設(shè)備的需求;基于納米結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)、微納光子超材料，可以實現(xiàn)多種3D顯示效果，為裸眼3D顯示系統(tǒng)的發(fā)展提供了新思路;基于微納結(jié)構(gòu)的光場時空調(diào)控，可以開發(fā)包括光子軌道角動量(OAM)一維模式空間和光束橫截面二維橫向模式空間復(fù)用(MDM)等新的復(fù)用維度，具有再次大幅度增加光信息傳輸容量的潛力;基于飛秒激光實現(xiàn)的微納加工系統(tǒng)，可以制作復(fù)雜構(gòu)型三維微納光學(xué)結(jié)構(gòu)，為復(fù)雜光電子芯片集成提供了可能。

  (三)寬禁帶半導(dǎo)體光電子器件及集成技術(shù)

  寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器作為前沿技術(shù)，近十年來一直是國際化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域競相研究和開發(fā)的熱點，其中常規(guī)類型的紫外探測器已經(jīng)趨于成熟。

  紫外探測：西方主要國家一直非常重視對寬禁帶半導(dǎo)體紫外雪崩光電探測器的研究，多年來投入了大量研究資源開展相應(yīng)研究，并已涌現(xiàn)出許多先進(jìn)成果。我國對SiC基紫外探測器的研究雖然起步較晚，但是在寬禁帶半導(dǎo)體紫外APD領(lǐng)域的研究水平與國際先進(jìn)水平差距并不大。寬禁帶半導(dǎo)體襯底和外延技術(shù)、寬禁帶半導(dǎo)體光電器件設(shè)計和微加工技術(shù)、紫外單光子探測器的封裝、測試和電路配套技術(shù)等對于實現(xiàn)小批量生產(chǎn)和裝備應(yīng)用，推動信息技術(shù)的發(fā)展，保障國家安全等方面具有重要作用。

  半導(dǎo)體照明：近十年來全球LED的市場規(guī)模不斷擴(kuò)大，美國、日本、歐洲處于世界領(lǐng)先地位，掌握了絕大多數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和核心專利。國內(nèi)半導(dǎo)體照明芯片技術(shù)的發(fā)展相對國外起步較晚，技術(shù)水平離國際領(lǐng)先者還存在一定距離，但近年來國內(nèi)照明級LED芯片技術(shù)的研究、開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化工作亦取得了長足進(jìn)步。

  量子器件：目前，國際上的前沿?zé)狳c是研究基于III-V族及III族氮化物半導(dǎo)體量子點結(jié)構(gòu)的單光子光源，同時還攜帶自旋或偏振特性。如何實現(xiàn)尺寸可控、排列有序的III-V族半導(dǎo)體量子點生長，一直是業(yè)內(nèi)研究的熱點。光定向傳輸領(lǐng)域目前主要研究采用深紫外光刻、電子束光刻(EBL)、納米壓印等技術(shù)加工III-V或III族氮化物半導(dǎo)體模板制備光學(xué)設(shè)計的周期陣列結(jié)構(gòu)。

  二、光電集成技術(shù)工藝技術(shù)途徑

  光電集成實現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵仍是光子集成。目前光子集成的材料主要包括：鈮酸鋰(LiNbO3)、絕緣體上硅(SOI)、二氧化硅/氮化硅(SiO2/SiNx)、光學(xué)玻璃、聚合物以及III-V族化合半導(dǎo)體材料等。鈮酸鋰電光調(diào)制性能好，主要用于制作高速光調(diào)制器，但無法實現(xiàn)激光的發(fā)射和光電探測。玻璃波導(dǎo)傳輸和耦合損耗較低，成本低廉，是目前光波導(dǎo)和光分路器的主要材料。聚合物材料的優(yōu)點是熱光系數(shù)較高，可用于制作熱光調(diào)制器件，大幅降低功耗，但與半導(dǎo)體材料的工藝兼容性較差。目前，對于光子集成相關(guān)技術(shù)研究最多、爭論比較集中的主要是以下兩大類：一類是基于III-V族InP材料的光子集成技術(shù)，另一類是以硅基材料為基礎(chǔ)的硅光子集成。前者制備的光電器件性能優(yōu)異，后者硅CMOS工藝成熟，更適合大規(guī)模生產(chǎn)。

  (一)InP基光子集成技術(shù)

  InP基各類光電子器件工藝技術(shù)相對成熟，在InP材料襯底上通過一定的方式改變量子阱的能帶結(jié)構(gòu)就能實現(xiàn)具有不同功能的光電子器件的集成。目前改變量子阱能帶結(jié)構(gòu)的材料生長技術(shù)主要有量子阱混雜技術(shù)、對接生長技術(shù)、同一有源區(qū)法、選區(qū)外延技術(shù)等。為獲得高性能光子集成芯片，同時盡量降低成本，可將這幾種技術(shù)混合使用。其中，華中科技大學(xué)的國偉華等人采用量子阱混雜技術(shù)實現(xiàn)無源、有源光電器件的片上光子集成，制備了InP基的單片集成光學(xué)相控陣列。該單片光子集成電路集成了激光器、分束器、移相器、半導(dǎo)體光放大器、探測器等元件，實現(xiàn)了5°×10°的二維波束偏轉(zhuǎn)掃描。

  (二)硅光子集成

  硅光子集成按材料和制造工藝又可分為單片集成和混合集成。硅光子單片集成是通過在同一硅晶圓上利用Si CMOS制造技術(shù)，集成多個相同或不同功能的硅基光子器件，實現(xiàn)同一芯片上一種或多種光信號的傳輸處理。但是部分硅基有源光電器件(尤其是硅基激光器)由于材料自身特性，性能尚未達(dá)到最優(yōu)，進(jìn)而產(chǎn)生了混合集成技術(shù)。

  混合集成通常將由不同材料體系(如III-V族半導(dǎo)體材料、有機聚合物、鈮酸鋰等)構(gòu)成的具有不同功能的光電器件芯片通過粘接互連或鍵合等方法集成在硅襯底或其它基板上。其中，硅光子混合集成實現(xiàn)的技術(shù)手段有多種，包括直接對準(zhǔn)耦合、光柵垂直耦合、苯并環(huán)丁烯(BCB)膠鍵合等，幾種集成方式各有優(yōu)缺點。其中比利時根特大學(xué)的G.Roelkens等人為了在SOI光波導(dǎo)上實現(xiàn)與III-V族光電器件的異構(gòu)集成，采用了一種特殊的固化膠(DVS-BCB)來實現(xiàn)III-V族器件(如激光器等)與硅基光波導(dǎo)的對準(zhǔn)和固定。通過測試表明，上下層芯片間的BCB膠厚度僅為45nm左右，并且能夠保證耦合工藝的精確度與集成工藝的穩(wěn)定性。

  (三)光電集成

  光子集成技術(shù)的不斷發(fā)展使得大規(guī)模光電集成技術(shù)成為可能。光電集成技術(shù)發(fā)展趨勢主要包括以下三個方面：一是高速與高性能(低噪聲、高寬帶、大動態(tài)范圍)，可以滿足終端用戶對于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?二是陣列化大規(guī)模集成，可以滿足骨干網(wǎng)對于大幅提速的需求;三是多功能信號處理，將波形產(chǎn)生、數(shù)據(jù)判斷、時鐘恢復(fù)、寬帶管理、信道監(jiān)測以及微波信號的產(chǎn)生/發(fā)射/探測等復(fù)雜信號處理功能進(jìn)行單片集成。而光電集成的關(guān)鍵技術(shù)無疑是光子集成器件與高速微電子器件的集成技術(shù)。鑒于光電集成技術(shù)的復(fù)雜性，目前國內(nèi)外主要采用的光電集成技術(shù)整體思路比較一致，均采用了將光子層與電子層功能相對獨立地進(jìn)行集成，光信號與電信號獨立或分層傳輸，層與層之間通過異構(gòu)或異質(zhì)互連技術(shù)實現(xiàn)電信號的電學(xué)互連。光子層與光子集成的相關(guān)技術(shù)類似，電子層通常采用標(biāo)準(zhǔn)硅CMOS工藝，也只有硅基材料能夠做到超大規(guī)模集成電路的大規(guī)模、低成本制造。依據(jù)用于集成的光電器件的種類與實現(xiàn)方式的不同，光電集成可以分為單片光電集成和混合光電集成兩類。前者是在全硅襯底上實現(xiàn)光器件與電器件的制備與集成，后者是在硅基襯底上通過硅通孔(Through Silicon Via，TSV)或其它三維異構(gòu)/異質(zhì)集成技術(shù)實現(xiàn)與其它多種光電器件集成。

  1、單片光電集成

  近年來硅基光子器件發(fā)展迅速，如光開關(guān)、調(diào)制器、微環(huán)濾波器等，基于硅工藝的單元器件設(shè)計與制備技術(shù)已經(jīng)相對成熟。通過將這些光子器件與傳統(tǒng)CMOS工藝進(jìn)行合理設(shè)計和有機整合，便可實現(xiàn)在傳統(tǒng)CMOS工藝平臺上同時進(jìn)行硅光子器件制作，進(jìn)而形成一個具有一定功能的單片集成光電系統(tǒng)。但目前光電集成技術(shù)仍需解決亞微米量級的刻蝕技術(shù)、光子器件與電子器件之間的工藝相容性、熱隔離和電隔離、光源的集成化、光傳輸損耗與耦合效率、光邏輯器件等一系列問題。美國Luxtera公司作為目前硅單片光電集成領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，采用0.13μm標(biāo)準(zhǔn)SOI CMOS工藝實現(xiàn)了光子芯片與傳統(tǒng)微電子芯片的單片設(shè)計與集成制造，進(jìn)而實現(xiàn)數(shù)字邏輯芯片同光芯片的集成。其推出的世界上第一款基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造工藝的單片光電集成芯片，標(biāo)志著未來光電集成芯片向更小尺寸、更低功耗和成本方向發(fā)展成為可能。

  2、混合光電集成

  混合光電集成是國內(nèi)外研究最多的光電集成方案。對于系統(tǒng)集成來說，尤其對于核心激光器，InP等III-V族材料是更好的技術(shù)選擇，但缺點是成本高，因此必須將其與大量的硅技術(shù)結(jié)合起來，在保證性能的同時降低成本。在具體技術(shù)實現(xiàn)途徑上，以美國Aurrion公司為例，其通過將激光器、探測器、CMOS處理等有源芯片分別以不同功能芯片組的形式通過光互連和電互連鍵合到通用的硅無源光學(xué)轉(zhuǎn)接板上。這樣做的好處是各芯片組可獨立制作、工藝相對簡單、實現(xiàn)容易，但集成度相對較低。美國MIT和荷蘭COBRA研究所等從事光電集成研究的高校和研究機構(gòu)紛紛提出基于TSV互連等三維集成工藝的光電集成技術(shù)方案，即基于SOI的光子集成層與CMOS電路層通過TSV技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)級集成。兩者在設(shè)計、結(jié)構(gòu)以及前后工序制作工藝上能否相互兼容，從而保證電互連、光互連以及光耦合的低插入損耗，這是實現(xiàn)混合光電集成的關(guān)鍵，也是光電集成未來的主要發(fā)展方向。

  三、光電集成技術(shù)發(fā)展展望

  后摩爾時代，多種優(yōu)勢技術(shù)的融合是大勢，也是后摩爾時代的主要解決方案。光電集成技術(shù)集中并發(fā)展了光學(xué)和微電子學(xué)的固有技術(shù)優(yōu)勢，是光子集成技術(shù)發(fā)展到一定程度之后的必然趨勢，已經(jīng)成為后摩爾時代大數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵募夹g(shù)，并將成為繼微電子集成電路技術(shù)之后再次推動人類科學(xué)技術(shù)的革命。光電集成技術(shù)具有寬帶、高速、高可靠、抗電磁干擾、體積小、重量輕等優(yōu)點，將被廣泛用于光纖通信、信息處理、傳感技術(shù)、自動控制、光電對抗、光子計算等高技術(shù)領(lǐng)域，并有望在未來更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮主導(dǎo)性作用。