浅析光电集成技术发展现状与趋势

从大规模商业应用和技术发展来看，基于光子元器件和光子集成技术的光通信经历了从国家级骨干网、光纤到户、设备间和板级光纤互联直至模块级光互联的长期演进之路。随着超高速、超宽带、低功耗、超短时等通信发展要求的不断提升，如5G和6G移动通信，天地一体化信息网络，光、电融合成为重大技术发展趋势，核心技术的发展开始聚焦于芯片级的光电集成。

历史上，1972年美国加州理工学院的Yariv教授等人提出光电集成的概念，并率先于1978年研制出世界上第一个仅由一个短波长（850nm）GaAs激光二极管和一个GaAs耿氏二极管构成的光电集成单片。在过去40余年的时间里，伴随着光子集成技术的发展与成熟，将多个光子器件与电子器件集成在一个模块甚至单块芯片的技术已逐步实现。随着未来网络通信更新换代速度的加快，应用需求与光电器件性能、尺寸、成本等之间的矛盾将日趋明显，光电集成技术作为解决该矛盾的最主要手段，将日益成为国内外光电领域的发展趋势和争相研究的热点。

一、光电集成技术发展现状与进展

经过几十年的发展，光电子技术和产业取得了巨大的成就。光电子对于国家社会与经济发展的支撑作用已经成为各国共识。例如，美国国家科学委员会（National Academies）在提交给白宫的白皮书《Optics and Photonics： Essential Technologies for Our Nation》中强调“光子学是重拾美国竞争力和维护国家安全的关键”；欧洲21世纪光子咨询专家组提交的《Towards 2020-Photonics Driving Economic Growth in Europe》中明确指出“奔向2020的光子学将成为欧洲经济增长的重要支撑”。光电子作为前沿科学研究中的重要组成部分，一直以来备受各国重视。许多国家纷纷设立了各种光电子研究计划，例如美国的UHPC、EPIC、UNIC、POEM等；欧盟的HELIOS、PhotonFAB、ERA-NET-PLUS等；以及日本的First Program、TIA等。

光电集成技术针对前沿进展、应用需求和信息处理的不同阶段，形成了不同的学科分类，如针对宽带光通信技术的需求形成了高速光电子信息学科；针对在微纳尺度上实现各种新型功能材料和器件发展形成了微纳光子学和超高分辨成像及显示学科；针对半导体照明和紫外光探测日益增长的需求，形成了宽禁带半导体光电子学科。另外，目前单元器件技术基本成熟，但是没有一种材料体系可以成为唯一的光子集成材料体系，多种材料体系并存将成为未来很长一段时间内光电子集成技术的状态。

下面针对典型的光电子器件与集成技术分别进行阐述。

（一）光通信及信息处理功能集成芯片

面对光通信和信息处理所面临的技术瓶颈，光通信及信息处理功能集成芯片的设计、制备、封装以及应用技术都取得了较大的进展。主要研究现状与进展如下所述：

功能材料： 近年来，二维原子晶体、拓扑绝缘体等一系列新材料领域的突破，为探索新原理、新结构信息功能器件提供了发展机遇。掌握了半导体新材料与新原理器件技术，就抢占了下一代信息技术的制高点。抓住新型信息功能材料所带来的机遇，探索新结构、新原理器件，将为信息技术的新发展奠定基础。

集成技术： 光子集成是突破信息系统面临的“速率”、“功耗”、“智能化”等瓶颈的必由之路，目前单元器件技术基本成熟，如何实现多材料体系、多种功能器件的系统集成是亟待研究解决的难题。此外，面向宽带网络、大数据和5G通信，需重点解决制备工艺兼容性、模场匹配、光模式交叉耦合等关键科学和技术。

系统应用： 从西方各国在光通信领域的竞争态势看，Pbit/s级超大容量超长距离光传输、数据中心光互连、片上光网络、硅基多材料混合的光电融合集成芯片和器件、大容量空间光传输等均成为国际热点问题。未来的竞争将主要体现在“下一代超大容量光传输和光接入”、“高密度、高带宽、低延迟、低功耗的新一代数据中心光互连”、“新型可见光通信”和“空天地一体化光传输”等多种平台建设。

（二）超高分辨成像及显示芯片技术

近十年来，国际上开始大力发展微纳光子学及其技术，使光电子技术与纳米技术相结合，对现有的光电子技术进行升级改造。从基础理论、微纳结构的功能型器件到集成的微纳光子学系统应用以及高分辨实时获得图像技术，微纳光子学与光电子器件集成领域涌现出大量的创新性原理、手段与技术，并有望在微纳尺度上实现各种新型功能器件，为新一代仪器技术开创新的平台。

基础理论： 当微纳结构的特征尺寸达到纳米甚至原子尺度时，宏观Maxwell方程组中的物质参数会发生变化，产生各种特殊光学效应，例如光场局域化突破衍射极限、电磁场增强、辐射增强、吸收/透射/反射增强、非线性效应增强、慢光效应、深亚波长结构等效介质效应等。这些特殊光学效应难以采用传统的光学理论解释，需要具体考虑不同结构中的不同物理过程。明确这些特殊光学效应的物理机制将为微纳光子器件的设计提供理论指导。同时，微纳光子结构中，由于光场强烈的局域效应，使得光场与其他物理场的耦合增强。光、机、电、热等多物理场之间的复杂耦合，也需要发展相应的理论和算法加以求解。目前国际上已能处理一些多物理场的耦合问题，但是远未达到彻底解决问题的程度。

功能器件： 微纳光子学的功能器件能够在微纳尺度实现光的产生、传输、调控、探测和传感等，具有尺寸小、速度快和克服传统衍射极限等优点。目前基于纳米光子波导、光子晶体、表面等离激元以及人工电磁超材料的微纳光电子新型功能器件，能够调控微纳尺度下的光场，产生奇异电磁响应和色散特性，并已用来初步实现微纳尺度的集成光源、全光交换器、光开关、光调制器等。在基于砷化镓、磷化铟、氮化镓等无机半导体材料的光电子器件基础上，进一步发展新型复合纳米光电材料和多种异质光电材料的微纳加工技术和集成技术，是目前国际研究热点。此外，采用有机半导体材料的功能型器件，如OLED、有机薄膜太阳能电池（OSC）、有机薄膜晶体管（OTFT）等，也获得了学术界和工业界的广泛关注。

系统应用： 通过微纳结构的设计可以有效提高光电能源的转换效率，并应用在太阳能电池的光伏转换效率提升方面；通过亚波长结构组合而成的人工复合介质，可以产生电磁隐身、光学欺骗等新颖物理现象，在光信号的探测与反探测方面有重要应用；具有纳米分辨的光学显微成像技术，在生物医学成像、信息存储、精密光刻、材料分析等领域有很重要应用；利用无源纳米结构可以实现高灵敏度的生物传感器，目前广泛应用在生物医学检测、疾病早期诊断方面；基于微纳光子芯片系统可以实现集成型的超高精度频率（时间）标准，满足小型卫星、导弹和便携设备的需求；基于纳米结构的光波导、微纳光子超材料，可以实现多种3D显示效果，为裸眼3D显示系统的发展提供了新思路；基于微纳结构的光场时空调控，可以开发包括光子轨道角动量（OAM）一维模式空间和光束横截面二维横向模式空间复用（MDM）等新的复用维度，具有再次大幅度增加光信息传输容量的潜力；基于飞秒激光实现的微纳加工系统，可以制作复杂构型三维微纳光学结构，为复杂光电子芯片集成提供了可能。

（三）宽禁带半导体光电子器件及集成技术

宽禁带半导体紫外探测器作为前沿技术，近十年来一直是国际化合物半导体领域竞相研究和开发的热点，其中常规类型的紫外探测器已经趋于成熟。

紫外探测： 西方主要国家一直非常重视对宽禁带半导体紫外雪崩光电探测器的研究，多年来投入了大量研究资源开展相应研究，并已涌现出许多先进成果。我国对SiC基紫外探测器的研究虽然起步较晚，但是在宽禁带半导体紫外APD领域的研究水平与国际先进水平差距并不大。宽禁带半导体衬底和外延技术、宽禁带半导体光电器件设计和微加工技术、紫外单光子探测器的封装、测试和电路配套技术等对于实现小批量生产和装备应用，推动信息技术的发展，保障国家安全等方面具有重要作用。

半导体照明： 近十年来全球LED的市场规模不断扩大，美国、日本、欧洲处于世界领先地位，掌握了绝大多数的关键技术和核心专利。国内半导体照明芯片技术的发展相对国外起步较晚，技术水平离国际领先者还存在一定距离，但近年来国内照明级LED芯片技术的研究、开发以及产业化工作亦取得了长足进步。

量子器件： 目前，国际上的前沿热点是研究基于III-V族及III族氮化物半导体量子点结构的单光子光源，同时还携带自旋或偏振特性。如何实现尺寸可控、排列有序的III-V族半导体量子点生长，一直是业内研究的热点。光定向传输领域目前主要研究采用深紫外光刻、电子束光刻（EBL）、纳米压印等技术加工III-V或III族氮化物半导体模板制备光学设计的周期阵列结构。

二、光电集成技术工艺技术途径

光电集成实现的基础和关键仍是光子集成。目前光子集成的材料主要包括：铌酸锂（LiNbO3）、绝缘体上硅（SOI）、二氧化硅/氮化硅（SiO2/SiNx）、光学玻璃、聚合物以及III-V族化合半导体材料等。铌酸锂电光调制性能好，主要用于制作高速光调制器，但无法实现激光的发射和光电探测。玻璃波导传输和耦合损耗较低，成本低廉，是目前光波导和光分路器的主要材料。聚合物材料的优点是热光系数较高，可用于制作热光调制器件，大幅降低功耗，但与半导体材料的工艺兼容性较差。目前，对于光子集成相关技术研究最多、争论比较集中的主要是以下两大类：一类是基于III-V族InP材料的光子集成技术，另一类是以硅基材料为基础的硅光子集成。前者制备的光电器件性能优异，后者硅CMOS工艺成熟，更适合大规模生产。

（一）InP基光子集成技术

InP基各类光电子器件工艺技术相对成熟，在InP材料衬底上通过一定的方式改变量子阱的能带结构就能实现具有不同功能的光电子器件的集成。目前改变量子阱能带结构的材料生长技术主要有量子阱混杂技术、对接生长技术、同一有源区法、选区外延技术等。为获得高性能光子集成芯片，同时尽量降低成本，可将这几种技术混合使用。其中，华中科技大学的国伟华等人采用量子阱混杂技术实现无源、有源光电器件的片上光子集成，制备了InP基的单片集成光学相控阵列。该单片光子集成电路集成了激光器、分束器、移相器、半导体光放大器、探测器等元件，实现了5°×10°的二维波束偏转扫描。

（二）硅光子集成

硅光子集成按材料和制造工艺又可分为单片集成和混合集成。硅光子单片集成是通过在同一硅晶圆上利用Si CMOS制造技术，集成多个相同或不同功能的硅基光子器件，实现同一芯片上一种或多种光信号的传输处理。但是部分硅基有源光电器件（尤其是硅基激光器）由于材料自身特性，性能尚未达到最优，进而产生了混合集成技术。

混合集成通常将由不同材料体系（如III-V族半导体材料、有机聚合物、铌酸锂等）构成的具有不同功能的光电器件芯片通过粘接互连或键合等方法集成在硅衬底或其它基板上。其中，硅光子混合集成实现的技术手段有多种，包括直接对准耦合、光栅垂直耦合、苯并环丁烯（BCB）胶键合等，几种集成方式各有优缺点。其中比利时根特大学的G.Roelkens等人为了在SOI光波导上实现与III-V族光电器件的异构集成，采用了一种特殊的固化胶（DVS-BCB）来实现III-V族器件（如激光器等）与硅基光波导的对准和固定。通过测试表明，上下层芯片间的BCB胶厚度仅为45nm左右，并且能够保证耦合工艺的精确度与集成工艺的稳定性。

（三）光电集成

光子集成技术的不断发展使得大规模光电集成技术成为可能。光电集成技术发展趋势主要包括以下三个方面：一是高速与高性能（低噪声、高宽带、大动态范围），可以满足终端用户对于高速数据传输的需求；二是阵列化大规模集成，可以满足骨干网对于大幅提速的需求；三是多功能信号处理，将波形产生、数据判断、时钟恢复、宽带管理、信道监测以及微波信号的产生/发射/探测等复杂信号处理功能进行单片集成。而光电集成的关键技术无疑是光子集成器件与高速微电子器件的集成技术。鉴于光电集成技术的复杂性，目前国内外主要采用的光电集成技术整体思路比较一致，均采用了将光子层与电子层功能相对独立地进行集成，光信号与电信号独立或分层传输，层与层之间通过异构或异质互连技术实现电信号的电学互连。光子层与光子集成的相关技术类似，电子层通常采用标准硅CMOS工艺，也只有硅基材料能够做到超大规模集成电路的大规模、低成本制造。依据用于集成的光电器件的种类与实现方式的不同，光电集成可以分为单片光电集成和混合光电集成两类。前者是在全硅衬底上实现光器件与电器件的制备与集成，后者是在硅基衬底上通过硅通孔（Through Silicon Via，TSV）或其它三维异构/异质集成技术实现与其它多种光电器件集成。

1、单片光电集成

近年来硅基光子器件发展迅速，如光开关、调制器、微环滤波器等，基于硅工艺的单元器件设计与制备技术已经相对成熟。通过将这些光子器件与传统CMOS工艺进行合理设计和有机整合，便可实现在传统CMOS工艺平台上同时进行硅光子器件制作，进而形成一个具有一定功能的单片集成光电系统。但目前光电集成技术仍需解决亚微米量级的刻蚀技术、光子器件与电子器件之间的工艺相容性、热隔离和电隔离、光源的集成化、光传输损耗与耦合效率、光逻辑器件等一系列问题。美国Luxtera公司作为目前硅单片光电集成领域的领导者，采用0.13μm标准SOI CMOS工艺实现了光子芯片与传统微电子芯片的单片设计与集成制造，进而实现数字逻辑芯片同光芯片的集成。其推出的世界上第一款基于标准CMOS制造工艺的单片光电集成芯片，标志着未来光电集成芯片向更小尺寸、更低功耗和成本方向发展成为可能。

2、混合光电集成

混合光电集成是国内外研究最多的光电集成方案。对于系统集成来说，尤其对于核心激光器，InP等III-V族材料是更好的技术选择，但缺点是成本高，因此必须将其与大量的硅技术结合起来，在保证性能的同时降低成本。在具体技术实现途径上，以美国Aurrion公司为例，其通过将激光器、探测器、CMOS处理等有源芯片分别以不同功能芯片组的形式通过光互连和电互连键合到通用的硅无源光学转接板上。这样做的好处是各芯片组可独立制作、工艺相对简单、实现容易，但集成度相对较低。美国MIT和荷兰COBRA研究所等从事光电集成研究的高校和研究机构纷纷提出基于TSV互连等三维集成工艺的光电集成技术方案，即基于SOI的光子集成层与CMOS电路层通过TSV技术实现系统级集成。两者在设计、结构以及前后工序制作工艺上能否相互兼容，从而保证电互连、光互连以及光耦合的低插入损耗，这是实现混合光电集成的关键，也是光电集成未来的主要发展方向。

三、光电集成技术发展展望

后摩尔时代，多种优势技术的融合是大势，也是后摩尔时代的主要解决方案。光电集成技术集中并发展了光学和微电子学的固有技术优势，是光子集成技术发展到一定程度之后的必然趋势，已经成为后摩尔时代大数据传输的核心技术，并将成为继微电子集成电路技术之后再次推动人类科学技术的革命。光电集成技术具有宽带、高速、高可靠、抗电磁干扰、体积小、重量轻等优点，将被广泛用于光纤通信、信息处理、传感技术、自动控制、光电对抗、光子计算等高技术领域，并有望在未来更广泛的应用领域发挥主导性作用。
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