淺析光電集成技術發展現狀與趨勢

淺析光電集成技術發展現狀與趨勢

集成電路產業研究 發表於 2020-11-30 15:09:52

從大規模商業應用和技術發展來看，基於光子元器件和光子集成技術的光通信經歷了從國家級骨幹網、光纖到戶、設備間和板級光纖互聯直至模塊級光互聯的長期演進之路。隨著超高速、超寬帶、低功耗、超短時等通信發展要求的不斷提升，如5G和6G移動通信，天地一體化信息網絡，光、電融合成為重大技術發展趨勢，核心技術的發展開始聚焦於晶片級的光電集成。

歷史上，1972年美國加州理工學院的Yariv教授等人提出光電集成的概念，並率先於1978年研製出世界上第一個僅由一個短波長（850nm）GaAs雷射二極體和一個GaAs耿氏二極體構成的光電集成單片。在過去40餘年的時間裡，伴隨著光子集成技術的發展與成熟，將多個光子器件與電子器件集成在一個模塊甚至單塊晶片的技術已逐步實現。隨著未來網絡通信更新換代速度的加快，應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，光電集成技術作為解決該矛盾的最主要手段，將日益成為國內外光電領域的發展趨勢和爭相研究的熱點。

一、光電集成技術發展現狀與進展

經過幾十年的發展，光電子技術和產業取得了巨大的成就。光電子對於國家社會與經濟發展的支撐作用已經成為各國共識。例如，美國國家科學委員會（National Academies）在提交給白宮的白皮書《Optics and Photonics： Essential Technologies for Our Nation》中強調「光子學是重拾美國競爭力和維護國家安全的關鍵」；歐洲21世紀光子諮詢專家組提交的《Towards 2020-Photonics Driving Economic Growth in Europe》中明確指出「奔向2020的光子學將成為歐洲經濟增長的重要支撐」。光電子作為前沿科學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。

光電集成技術針對前沿進展、應用需求和信息處理的不同階段，形成了不同的學科分類，如針對寬帶光通信技術的需求形成了高速光電子信息學科；針對在微納尺度上實現各種新型功能材料和器件發展形成了微納光子學和超高分辨成像及顯示學科；針對半導體照明和紫外光探測日益增長的需求，形成了寬禁帶半導體光電子學科。另外，目前單元器件技術基本成熟，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，多種材料體系並存將成為未來很長一段時間內光電子集成技術的狀態。

下面針對典型的光電子器件與集成技術分別進行闡述。

（一）光通信及信息處理功能集成晶片

面對光通信和信息處理所面臨的技術瓶頸，光通信及信息處理功能集成晶片的設計、製備、封裝以及應用技術都取得了較大的進展。主要研究現狀與進展如下所述：

功能材料： 近年來，二維原子晶體、拓撲絕緣體等一系列新材料領域的突破，為探索新原理、新結構信息功能器件提供了發展機遇。掌握了半導體新材料與新原理器件技術，就搶佔了下一代信息技術的制高點。抓住新型信息功能材料所帶來的機遇，探索新結構、新原理器件，將為信息技術的新發展奠定基礎。

集成技術： 光子集成是突破信息系統面臨的「速率」、「功耗」、「智能化」等瓶頸的必由之路，目前單元器件技術基本成熟，如何實現多材料體系、多種功能器件的系統集成是亟待研究解決的難題。此外，面向寬帶網絡、大數據和5G通信，需重點解決製備工藝兼容性、模場匹配、光模式交叉耦合等關鍵科學和技術。

系統應用： 從西方各國在光通信領域的競爭態勢看，Pbit/s級超大容量超長距離光傳輸、數據中心光互連、片上光網絡、矽基多材料混合的光電融合集成晶片和器件、大容量空間光傳輸等均成為國際熱點問題。未來的競爭將主要體現在「下一代超大容量光傳輸和光接入」、「高密度、高帶寬、低延遲、低功耗的新一代數據中心光互連」、「新型可見光通信」和「空天地一體化光傳輸」等多種平臺建設。

（二）超高分辨成像及顯示晶片技術

近十年來，國際上開始大力發展微納光子學及其技術，使光電子技術與納米技術相結合，對現有的光電子技術進行升級改造。從基礎理論、微納結構的功能型器件到集成的微納光子學系統應用以及高分辨實時獲得圖像技術，微納光子學與光電子器件集成領域湧現出大量的創新性原理、手段與技術，並有望在微納尺度上實現各種新型功能器件，為新一代儀器技術開創新的平臺。

基礎理論： 當微納結構的特徵尺寸達到納米甚至原子尺度時，宏觀Maxwell方程組中的物質參數會發生變化，產生各種特殊光學效應，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、非線性效應增強、慢光效應、深亞波長結構等效介質效應等。這些特殊光學效應難以採用傳統的光學理論解釋，需要具體考慮不同結構中的不同物理過程。明確這些特殊光學效應的物理機制將為微納光子器件的設計提供理論指導。同時，微納光子結構中，由於光場強烈的局域效應，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複雜耦合，也需要發展相應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，但是遠未達到徹底解決問題的程度。

功能器件： 微納光子學的功能器件能夠在微納尺度實現光的產生、傳輸、調控、探測和傳感等，具有尺寸小、速度快和克服傳統衍射極限等優點。目前基於納米光子波導、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，能夠調控微納尺度下的光場，產生奇異電磁響應和色散特性，並已用來初步實現微納尺度的集成光源、全光交換器、光開關、光調製器等。在基於砷化鎵、磷化銦、氮化鎵等無機半導體材料的光電子器件基礎上，進一步發展新型複合納米光電材料和多種異質光電材料的微納加工技術和集成技術，是目前國際研究熱點。此外，採用有機半導體材料的功能型器件，如OLED、有機薄膜太陽能電池（OSC）、有機薄膜電晶體（OTFT）等，也獲得了學術界和工業界的廣泛關注。

系統應用： 通過微納結構的設計可以有效提高光電能源的轉換效率，並應用在太陽能電池的光伏轉換效率提升方面；通過亞波長結構組合而成的人工複合介質，可以產生電磁隱身、光學欺騙等新穎物理現象，在光信號的探測與反探測方面有重要應用；具有納米分辨的光學顯微成像技術，在生物醫學成像、信息存儲、精密光刻、材料分析等領域有很重要應用；利用無源納米結構可以實現高靈敏度的生物傳感器，目前廣泛應用在生物醫學檢測、疾病早期診斷方面；基於微納光子晶片系統可以實現集成型的超高精度頻率（時間）標準，滿足小型衛星、飛彈和便攜設備的需求；基於納米結構的光波導、微納光子超材料，可以實現多種3D顯示效果，為裸眼3D顯示系統的發展提供了新思路；基於微納結構的光場時空調控，可以開發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用（MDM）等新的復用維度，具有再次大幅度增加光信息傳輸容量的潛力；基於飛秒雷射實現的微納加工系統，可以製作複雜構型三維微納光學結構，為複雜光電子晶片集成提供了可能。

（三）寬禁帶半導體光電子器件及集成技術

寬禁帶半導體紫外探測器作為前沿技術，近十年來一直是國際化合物半導體領域競相研究和開發的熱點，其中常規類型的紫外探測器已經趨於成熟。

紫外探測： 西方主要國家一直非常重視對寬禁帶半導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研究，並已湧現出許多先進成果。我國對SiC基紫外探測器的研究雖然起步較晚，但是在寬禁帶半導體紫外APD領域的研究水平與國際先進水平差距並不大。寬禁帶半導體襯底和外延技術、寬禁帶半導體光電器件設計和微加工技術、紫外單光子探測器的封裝、測試和電路配套技術等對於實現小批量生產和裝備應用，推動信息技術的發展，保障國家安全等方面具有重要作用。

半導體照明： 近十年來全球LED的市場規模不斷擴大，美國、日本、歐洲處於世界領先地位，掌握了絕大多數的關鍵技術和核心專利。國內半導體照明晶片技術的發展相對國外起步較晚，技術水平離國際領先者還存在一定距離，但近年來國內照明級LED晶片技術的研究、開發以及產業化工作亦取得了長足進步。

量子器件： 目前，國際上的前沿熱點是研究基於III-V族及III族氮化物半導體量子點結構的單光子光源，同時還攜帶自旋或偏振特性。如何實現尺寸可控、排列有序的III-V族半導體量子點生長，一直是業內研究的熱點。光定向傳輸領域目前主要研究採用深紫外光刻、電子束光刻（EBL）、納米壓印等技術加工III-V或III族氮化物半導體模板製備光學設計的周期陣列結構。

二、光電集成技術工藝技術途徑

光電集成實現的基礎和關鍵仍是光子集成。目前光子集成的材料主要包括：鈮酸鋰（LiNbO3）、絕緣體上矽（SOI）、二氧化矽/氮化矽（SiO2/SiNx）、光學玻璃、聚合物以及III-V族化合半導體材料等。鈮酸鋰電光調製性能好，主要用於製作高速光調製器，但無法實現雷射的發射和光電探測。玻璃波導傳輸和耦合損耗較低，成本低廉，是目前光波導和光分路器的主要材料。聚合物材料的優點是熱光係數較高，可用於製作熱光調製器件，大幅降低功耗，但與半導體材料的工藝兼容性較差。目前，對於光子集成相關技術研究最多、爭論比較集中的主要是以下兩大類：一類是基於III-V族InP材料的光子集成技術，另一類是以矽基材料為基礎的矽光子集成。前者製備的光電器件性能優異，後者矽CMOS工藝成熟，更適合大規模生產。

（一）InP基光子集成技術

InP基各類光電子器件工藝技術相對成熟，在InP材料襯底上通過一定的方式改變量子阱的能帶結構就能實現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構的材料生長技術主要有量子阱混雜技術、對接生長技術、同一有源區法、選區外延技術等。為獲得高性能光子集成晶片，同時儘量降低成本，可將這幾種技術混合使用。其中，華中科技大學的國偉華等人採用量子阱混雜技術實現無源、有源光電器件的片上光子集成，製備了InP基的單片集成光學相控陣列。該單片光子集成電路集成了雷射器、分束器、移相器、半導體光放大器、探測器等元件，實現了5°×10°的二維波束偏轉掃描。

（二）矽光子集成

矽光子集成按材料和製造工藝又可分為單片集成和混合集成。矽光子單片集成是通過在同一矽晶圓上利用Si CMOS製造技術，集成多個相同或不同功能的矽基光子器件，實現同一晶片上一種或多種光信號的傳輸處理。但是部分矽基有源光電器件（尤其是矽基雷射器）由於材料自身特性，性能尚未達到最優，進而產生了混合集成技術。

混合集成通常將由不同材料體系（如III-V族半導體材料、有機聚合物、鈮酸鋰等）構成的具有不同功能的光電器件晶片通過粘接互連或鍵合等方法集成在矽襯底或其它基板上。其中，矽光子混合集成實現的技術手段有多種，包括直接對準耦合、光柵垂直耦合、苯並環丁烯（BCB）膠鍵合等，幾種集成方式各有優缺點。其中比利時根特大學的G.Roelkens等人為了在SOI光波導上實現與III-V族光電器件的異構集成，採用了一種特殊的固化膠（DVS-BCB）來實現III-V族器件（如雷射器等）與矽基光波導的對準和固定。通過測試表明，上下層晶片間的BCB膠厚度僅為45nm左右，並且能夠保證耦合工藝的精確度與集成工藝的穩定性。

（三）光電集成

光子集成技術的不斷發展使得大規模光電集成技術成為可能。光電集成技術發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、大動態範圍），可以滿足終端用戶對於高速數據傳輸的需求；二是陣列化大規模集成，可以滿足骨幹網對於大幅提速的需求；三是多功能信號處理，將波形產生、數據判斷、時鐘恢復、寬帶管理、信道監測以及微波信號的產生/發射/探測等複雜信號處理功能進行單片集成。而光電集成的關鍵技術無疑是光子集成器件與高速微電子器件的集成技術。鑑於光電集成技術的複雜性，目前國內外主要採用的光電集成技術整體思路比較一致，均採用了將光子層與電子層功能相對獨立地進行集成，光信號與電信號獨立或分層傳輸，層與層之間通過異構或異質互連技術實現電信號的電學互連。光子層與光子集成的相關技術類似，電子層通常採用標準矽CMOS工藝，也只有矽基材料能夠做到超大規模集成電路的大規模、低成本製造。依據用於集成的光電器件的種類與實現方式的不同，光電集成可以分為單片光電集成和混合光電集成兩類。前者是在全矽襯底上實現光器件與電器件的製備與集成，後者是在矽基襯底上通過矽通孔（Through Silicon Via，TSV）或其它三維異構/異質集成技術實現與其它多種光電器件集成。

1、單片光電集成

近年來矽基光子器件發展迅速，如光開關、調製器、微環濾波器等，基於矽工藝的單元器件設計與製備技術已經相對成熟。通過將這些光子器件與傳統CMOS工藝進行合理設計和有機整合，便可實現在傳統CMOS工藝平臺上同時進行矽光子器件製作，進而形成一個具有一定功能的單片集成光電系統。但目前光電集成技術仍需解決亞微米量級的刻蝕技術、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公司作為目前矽單片光電集成領域的領導者，採用0.13μm標準SOI CMOS工藝實現了光子晶片與傳統微電子晶片的單片設計與集成製造，進而實現數字邏輯晶片同光晶片的集成。其推出的世界上第一款基於標準CMOS製造工藝的單片光電集成晶片，標誌著未來光電集成晶片向更小尺寸、更低功耗和成本方向發展成為可能。

2、混合光電集成

混合光電集成是國內外研究最多的光電集成方案。對於系統集成來說，尤其對於核心雷射器，InP等III-V族材料是更好的技術選擇，但缺點是成本高，因此必須將其與大量的矽技術結合起來，在保證性能的同時降低成本。在具體技術實現途徑上，以美國Aurrion公司為例，其通過將雷射器、探測器、CMOS處理等有源晶片分別以不同功能晶片組的形式通過光互連和電互連鍵合到通用的矽無源光學轉接板上。這樣做的好處是各晶片組可獨立製作、工藝相對簡單、實現容易，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紛紛提出基於TSV互連等三維集成工藝的光電集成技術方案，即基於SOI的光子集成層與CMOS電路層通過TSV技術實現系統級集成。兩者在設計、結構以及前後工序製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，這是實現混合光電集成的關鍵，也是光電集成未來的主要發展方向。

三、光電集成技術發展展望

後摩爾時代，多種優勢技術的融合是大勢，也是後摩爾時代的主要解決方案。光電集成技術集中並發展了光學和微電子學的固有技術優勢，是光子集成技術發展到一定程度之後的必然趨勢，已經成為後摩爾時代大數據傳輸的核心技術，並將成為繼微電子集成電路技術之後再次推動人類科學技術的革命。光電集成技術具有寬帶、高速、高可靠、抗電磁幹擾、體積小、重量輕等優點，將被廣泛用於光纖通信、信息處理、傳感技術、自動控制、光電對抗、光子計算等高技術領域，並有望在未來更廣泛的應用領域發揮主導性作用。
       責任編輯:tzh

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