光集成(PIC)技术概述

光子集成技术概论

摘要：本文以光子学为基础，详细介绍了光子技术和光子集成的概念、主要应用领域、目前的研究热点及以光波导集成为基础的光子集成器件的研究进展。

关键词：光子光子晶体光子技术光子集成光波导

光子集成（Photonic Integrated Circuit，PIC），也叫光子集成电路。以介质波导为中心集成光器件的光波导型集成回路，即将若干光器件集成在一片基片上，构成一个整体，器件之间以半导体光波导连接，使其具有某些功能的光路。如集成外腔单稳频激光器，光子开关阵列，光外差接收机和光发射机等。

一、光子集成（PIC）的理论基础

光子集成技术的理论基础是光子学。当前，支撑信息社会的两大微观信息载体是电子和光子，它们都是微观粒子。光子是波色子，不带电、传播速度快，光束可互相穿越而不互相干扰，因而可大规模互联和并行传输，具有独特的优越性。目前已研究开发和正在开发的光子技术主要领域有：激光技术和、光子计算机、光存储技术、光通信和全息光技术等。与电子学器件相比，光子学器件中光子的运用不受回路分布延迟的影响（一般为10-9s），光在固体中传输速度为10-12cm/s左右，光子学器件的时间响应和容量要比电子学器件高得多。目前实验室已能获得十几个飞秒的光子脉冲。光子信息系统的运算速度要大大超出现有的电子信息系统。光子信息系统的空间带宽和频率带宽都很大，光子学与光子技术使光纤通信的容量从原理上讲比微波通信大1万倍到10万倍以上，一路微波通道可以传送一路彩色电视或1千多路数字电话信号，而一根光纤则可以同时传送1千多万甚至1亿路电话。目前已完成了从第一代0.85μm波段与多模光纤，到第二代1.3μm波段零色散与单模光纤，再到第三代1.55μm波段与低损耗色散位移单模光纤的换代发展。利用光子学方式可以实现三维立体存储。光存储信息容量大，可靠性强，存取速度快，成本低且应用范围广。光盘、光卡的存储容量比磁盘、磁卡要高出200至20000倍，且不易磨损，不受外界磁场、温度影响，可靠性强。由于光的频率高，故此可高速传递信息，也可利用多重波长使信息二维并列传送，更甚者，光还可以进行并列处理，且无需阻抗匹配和布线回路，故可进行高速信号调制，同电气布线相比较，在未来光计算机中将超越电气布线的极限，使高速处理系统得以实现。

以光子晶体(photonic crystals)（图1）为代表的光集成技术是近年来快速发展的前沿成果。近年来，技术

上既可以在晶体内部通过引入缺陷来操控光子，也可以在三维光子晶体的表面来操控光子。这将在光子集成电路上通过光子晶体来操控光子提供了现实可能。光子晶体是介电常数等某些参数周期性变化的纳米结构材料，可产生一个光子带隙（band gap），带隙将会影响光子在材料的传播。与半导体的情况类似，光子能带结构是周期性位势(periodic potential)。在介电系数呈周期性排列的三维介电材料的光子系统中，电磁波经介电函数散射后，某些波段的电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在系统内传递，相当于在频谱上形成能隙，于是色散关系(dispersion relation)具有带状结构，即所谓的光子能带结构(photonic band structures)（图2、图3）。具有光子能带结构的介电物质，就称为光能隙(photonic energy gap)系统(photonic band-gap system，简称PBG系统)，或简称光子晶体。

图1 由SiCN陶瓷材料形成的光子晶体

图2 半导体能隙和光子能隙比较

图3 光子能带结构

能隙可以局限电磁波，光子晶体的杂质态大多落在能隙内，这为导引电磁波的成为可能。由于杂质四周都是光子晶体形成的“禁区”，电磁波在空间分布上只能局限在杂质附近，因此一个点状缺陷(point defect)相当于一个微空腔(micro-cavity)。电磁波便可能沿着这些缺陷传递，就相当于一个波导(waveguide)，于是可以通过引入杂质形成缺陷来控制和操作光子流（图4）。三维光子晶体还具有表面态（surface states）（图5、图6），光子能够受限于这些表面态，表面并不吸收光，这可以被用来制作成新型传感器等光集成器件。

图4

图5

图6

二、光集成技术现状

1、光子集成芯片

由于光的波长短，光子系统的几何尺寸小，所以小尺寸是光子技术的一大特点（图7）。光子集成的特点是：将有源光电子器件（如半导体激光器、光放大器、光探测器）与光波导器件（分/合波器、耦合器、滤波器、调制器、光开关等）集成在一块半导体芯片上，构成了一种单片全光功能性器件。如，单量子阱激光器中量子点处理元件的尺寸约在十分之一微米之下。光子器件具有三维结构，光子集成芯片制造比二维结构的半导体集成要复杂得多。将激光器、检测器、调制器和其他器件都集成到芯片中，这些集成需要在不同材料多个薄膜介质层上重复地沉积和蚀刻（图8）。首次采用单片的磷化铟光子集成电路，用于接入网络及其他大众市场上的宽带应用的是一家总部位于加拿大渥太华OneChip Photonics的公司（图9）。

图7 图8

图9 Onechip Diplexer的PIC原理示意图

2、PIC技术的现状和主要PIC器件

PIC芯片是用半导体加工（即晶圆加工）。光子集成技术是光纤通信最前沿、最有前途的领域。自1990年以来，密集波分复用系统(DWDM)的大规模应用，使得光通信有了飞速发展。DWDM系统中，多达80个不同波长的激光器调制的数据信号在光纤的一端复用，而后在一根细如发丝的光纤中传送。在光纤的另一端，光信号被解复用为不同波长，不同波长的数据信号通过光电转换最终进入到计算机。在信息传输的过程中，激光器进行发光，光复用器对信号进行复用/解复用，调制器对信号进行编码调制，检测器进行光电检测等等。2004年，大规模光子集成芯片——一对集成了50个光子器件的芯片呈现在人们的面前。现在，光子集成技术还成功地作出了400G和1.6T的芯片，实现了多达240个光器件的集成。

①、半导体PIC激光器

以半导体材料为工作物质的激光器称为半导体激光器，集成的激光器组件成为HGC（图10）。其特点为超小型、高效率、低成本、工作速度快和波长范围宽等。产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布（图11）。对于重掺杂的GaAs P－N 结，在P－N 结的附近，导带中有电子而价带中有空穴，这一小段区域称为“作用区”。如果电子从导带中向价带中跃迁，则将释放光子，并在谐振腔的反馈作用下，产生受激辐射。当然，价带中的电子也可能在光子的激发下跃迁到导带中，即所谓受激吸收，而要产生激光输出自然要求受激发射光子的速率大于受激吸收光子的速率。自1962年半导体砷化嫁（GaAs）同质结激光器问世后，半导体从同质结、单异质结、双异质结到半导体激光器阵列，波长范围履盖了可见光到长波红外。图(5-28b)是台面形管芯激光器的外形结构，管芯的形状有长方形、台面形、电极条形等多种，（图12) 的管芯形状是长方形，P－N 结的厚度仅几十微米，一般是在N型GaAs衬底上生长一薄层P型GaAs 而形成P－N 结。

图10

图11

图12

②、集成光波导（导波光路）

由光透明介质（石英玻璃）或光子晶体构成的传输光频电磁波的导行结构（图13，图14），使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。实用光波导有光导纤维（见光纤光缆）、薄膜波导、带状波导等三类。薄膜波导有三层介质,中层的薄膜厚度约1～10微米，上层（通常即为空气）和底层介质的折射率n0与n2都小于n1。当薄膜的宽度为有限尺寸时，称为带状波导(图15)。光波能量主要集中在W×d的矩形带状结构中。

图13

图14

图15 ③、光调制

光调制器（图16，图17）是一种改变光束参量传输信息的器件，这些参量包括光波的振幅、频率、位相或偏振态。有光强调制——电动机带动的开槽圆盘或调制盘实现对光的强调制（闪频）；光偏振调制——电光调制器，利用光波通过电光材料时其折射率与施加在它上面的电场强度有关,使出射光波的位相、偏振态等特性发生改变,从而达到调制光束的目的；线性电光调制：电光材料折射率改变量与调制电压呈线性关系，叫泡克耳斯效应。典型的线性电光材料有磷酸二氢钾(KDP)类晶体、铌酸锂晶体等。常见的线性电光调制又分纵向电光调制和横向电光调制两种；二次方电光调制：电光材料折射率改变量与调制电压二次方成正比，则称为光学克尔效应，典型的这类电光材料有硝基苯、锂铌酸钾等。

图16

图17

④、光外差PIC接收

光外差探测是一种对光波振幅、频率和相位调制信号的检波方法、对于光强度调制信号。只要选择光电探测器适当，都能无失真地转换为电信号，最后由电路完成检波任务，检出所需信息。而光波振幅、频率和相位的调制信号因光频太高，不能直接被光电探测器所响应。采用光外差法，光电探测器可以以输出电信号的形式检出所需信息。光外差探测的基本原理是基于两束光的相干。必须采用相干性好的激光器作光源，在接收信号光时同时加入参考光（本地振荡光）。参考光的频率与信号光频率极为接近，使参考光和信号光在光电探测器的光敏面上形成拍频信号。只要光电探测器对拍频信号的响应速度足够高，就能输出电信号检出信号光中的调制信号来，如图18所示即为一例。光外差接收技术比直接检测有更高的灵敏度，适用于超长距离光通信。典型的光外差接收机包括作为本地振荡源的激光器、定向耦合器和两个波导检测器、高密度光双稳开关PIC阵列。光阵列是一种利用量子阱室温激子可饱和吸收效应的光双稳器件，可用于全光交换和光信息时空变换和模数变换。

图18 光外差原理

三、结论

光集成芯片采用了不同工艺的半导体加工方式，将来芯片加工行业中，用于加工光芯片的代工生产线是更为新兴的行业。光芯片作为高端核心技术产品，目前西方发达国家因光芯片的加工技术高速发展，占据大部分光芯片高端产品的市场份额。我国掌握该领域高端核心技术的人才处于极度匮乏，基于平面光波导技术，以晶圆加工为制造工艺的光集成芯片的研发、设计及制造一直是国内的空白，这和我国光电子学研究和通信

技术市场巨大需求是很不相符的。加大该核心技术领域的自主研发才能对自主知识产权的“中国光芯”提供契机。

.参考文献

[1] 崔炳哲樊友民. 光集成器件[M] . 北京：科学出版社. 1990年

[2] 小林功郎 . 光集成器件[M] . 北京：科学出版社. 2002年

[3] 冯佩珍. 光集成技术概述[J]. 光通信研究，1989（3）：48-56

[4] 郭玉彬霍佳雨. 光纤激光器及其应用[M]，北京：科学出版社. 2008年

[5] 汪相. 晶体光学[M]，南京：南京大学出版社.2003年