光子集成技術——王明華教授

　　光集成技術是未來光器件的主流發(fā)展方向，近年來一直是業(yè)內關注和研究的焦點。當前，各種新的光集成技術層出不窮，各有所長，大有百花齊放的勢頭，但在未來的發(fā)展中，究竟何種技術會成為真正的熱點、將獨占鰲頭主導光子集成領域?國內光集成研究現(xiàn)狀又究竟如何?帶著這些疑問，我們特地采訪了國內光集成研究領域的著名專家——浙江大學信息學院微電子與光電子學研究所博士生導師王明華教授，希望能對這個幾乎神秘的高新技術領域窺視一二。

　　我們日常了解的光集成技術無外乎PLC、大規(guī)模光子集成電路(代表公司Infinera)、硅光子集成、InP單片集成等技術，但這些對于大多數(shù)讀者(尤其是業(yè)外人士)來說都是既籠統(tǒng)又模糊的名詞。王明華教授根據(jù)所使用的材料將光集成技術進行了簡單明了的歸類，包括基于化合物半導體的光集成技術，基于鈮酸鋰(linbo3)電解質材料的光集成技術，基于SiO2絕緣體技術的PLC技術，硅基集成光學技術，基于聚合物材料的技術，以及基于光學玻璃的光集成技術，共計六大類，下面是王教授對這幾類技術的簡要說明：

　　(一)基于化合物半導體的光集成技術，如GaAs、InP技術。這類技術適合制造高速調制器、光開關，速度很快，但造價較高。此外，化合半導體也是制造各種光器件的基本材料，隨著薄膜生長技術的飛快發(fā)展，將光子器件與光波導器件及高速電子器件單片式集成在一起己成為可能;

　　(二)基于鈮酸鋰材料的光集成技術，這類材料特別適合研制高速光調制器、光開關等，技術成熟，且市場份額較大;

　　(三)基于SiO2絕緣體技術的PLC技術，包括采用石英襯底和硅來制作波分復用器、光分路器、熱光器件等多種較大規(guī)模的集成化光波導器件。這種技術主要采用PECVD和干法刻蝕及髙溫退火工藝，該種技術目前己相當成熟，國內也己開展這方面的基礎研究及器件研發(fā)，例如武漢光迅公司就進口了PECVD設備，用來制作AWG和光分路器;

　　(四)硅基集成光波導技術，也就是SOI材料，SOI材料是新型硅基集成電路材料的簡稱，又稱絕緣硅。這種技術采用的結構與電子學的集成電路類似，只是在硅晶體層的厚度上有所區(qū)別。作為國家973計劃硅基發(fā)光及光子器件研究的子課題，已經(jīng)啟動了基于SOI材料的微、納集成光波導及器件的研究項目。

　　國外在硅基光子集成方面的研究進展迅速，如去年IBM就宣布開發(fā)出10G 納米光波導的MZ電光調制器，一直在硅光子領域頗有造詣的Intel也發(fā)布了30Gbps硅光調制器技術。國際上每年都召開專門的硅基集成光學學術會議進行專題研討和交流。

　　目前，我們國家在硅基光子集成領域的研究進度尚落后于發(fā)達國家，其主要困難在于缺乏先進的微細加工設備，無法制造出高質量的光波導，而並非缺乏新的研究思路。例如中科院半導體所，充分利用已有的設備條件在硅基集成光學研究方面就取得了很好的成績;

　　(五)基于聚合物材料的光集成技術。高質量厚膜SiO2波導材料的生長比較困難，所需要的設備復雜，一次性資金投入較大，產(chǎn)業(yè)化風險也較高。然而，聚合物材料所具備的某些優(yōu)良特性能使Polymer光波導及集成光學器件具有工藝簡單、折射率調整容易、透明性好以及偏振不靈敏等優(yōu)點，因此，其在光集成及光子器件領域同樣占有一席之地且有著很好的發(fā)展前景。目前在日本、美國、韓國等一些發(fā)達國家都在積極開展聚合物集成光器件的研究工作，并已取得許多重要進展，一些主要性能指標正逐漸達到無機AWG的水平，聚合物集成光功分器在日本甚至已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。但是，因為聚合物器件起步較晚，目前尚沒有完全達到系統(tǒng)化、商業(yè)化、實用化的程度。聚合物材料也同樣適合做高速調制器、光開關，但是存在穩(wěn)定性差，壽命低的缺點，而且髙水準、髙質量的聚合物材料還比較貴。國內在這方面研究不足，特別是對多種聚合物材料的研發(fā)與發(fā)達國家相比差距還比較大。

　　(六)基于光學玻璃的光集成技術。這類材料集成光波導器件的優(yōu)點是成本低，工藝簡單，可靠性高，傳輸損耗小，且與光纖對接匹配度高。這種技術不僅可以用于制造光分路器，還可以應用到其他領域。王明華教授的課題組正在利用這種技術進行集成光功分器的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)，并同時開展傳感器及微光學器件的研發(fā)。

　　“綜合來說，這些技術每一個都有每一個的特點和優(yōu)勢，都有各自不同的應用市場，比方說基于玻璃和聚合物的光集成技術可制作低成本光器件，化合物半導體和鈮酸鋰材料可以制作高速調制器、光開關。”王明華教授表示，“而硅基的光子集成技術，我認為這是未來發(fā)展的方向。目前來看，光與電要有機結合起來必須依靠這種技術。我們目前所見到的微電子技術和光電子技術有所不同，比方說雙方的器件結構和工藝不一樣，微電子是硅基平面工藝，光電子器件，無論是發(fā)光器件還是光波導器件，是一種立體結構，因而工藝是立體工藝，目前使用的材料也不一樣，發(fā)光和探測工作機理也不一樣。只有用硅材料才能將各種光器件與集成光學器件乃至將微電子和光電子統(tǒng)一起來。不過這條路還很漫長，需要解決很多技術難關，但這并無妨礙它成為未來主導技術。”

　　“不過不同的技術，不同的材料都有各自不同的應用，未來的世界仍將是百花齊放的。”王明華教授補充道。

　　國內PLC研究尚處于起步階段 產(chǎn)業(yè)化是瓶頸

　　在談到國內PLC研究現(xiàn)狀時，王明華教授表示國內這方面的研究實質尚處于相對落后的狀態(tài)，盡管囯內學者早已知曉PLC技術的重要性。目前國內正在制作的PLC器件主要是光分路器和AWG，但是，到目前為止，國內企業(yè)都是進口芯片進行封裝，例如深圳富創(chuàng)、上海博創(chuàng)、武漢光迅等，其進口的芯片大都來自韓國和日本、美國等國。在研發(fā)方面，武漢光迅進展較好，進口了PEVCD等關鍵設備，成功制作了AWG和光功分器，其中AWG因為產(chǎn)值高，有利于成本回收，是光迅的主要目標。

　　實際上，在光波導研究方面國內已有近30年的歷史，中科院半導體所和信息產(chǎn)業(yè)部13所，長春光機、物理所、上海交大、清華大學、北京理工、西光所及上光所等都進行了大量卓有成效的研究。浙大也從1980年前后開始光波導與集成光學器件研究，先后承擔了十余項國家自然科學基金項目，早期的有863項目及浙江省科技廳重大項目，近期正在執(zhí)行國家自然科學基金的重點項目，開展化合物半導體材料髙速光開關研究。王明華教授的課題組近年來與南方通信集團合作研發(fā)的基于離子交換光波導的分路器已接近實用化。“目前關鍵技術已經(jīng)突破，但是產(chǎn)業(yè)化技術還不過關。”王明華教授說。“目前國外在研究生產(chǎn)玻璃波導方面已經(jīng)非常成熟了，法國的Teem以及以色列的Colorchip在這方面做得最好，并且已經(jīng)推出了商用化產(chǎn)品。

　　王教授還指出;“任何一種技術都有它的優(yōu)缺點，更何況五花八門的集成光學技術。玻璃基集成光波導器件比較適合國內企業(yè)與學校合作進行聯(lián)合研發(fā)。我們希望通過跟企業(yè)合作來為國內企業(yè)提供波導芯片。目前國內還沒有廠商能做光分路器芯片，我們是很看好這種技術的。”