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        光子集成電路技術(shù)(PIC)簡述

        2022-07-07 00:05:35韓敏娟朱冬林
        科技研究·理論版 2022年11期

        韓敏娟 朱冬林

        摘要:信息技術(shù)是推動現(xiàn)代社會發(fā)展的重要驅(qū)動力,而集成電路則是信息產(chǎn)業(yè)的基石。二十世紀成就了電子集成電路技術(shù),但大規(guī)模集成電路的摩爾定律已接近材料物理性能極限,這就引發(fā)出光子集成的研究,形成一項新的前沿高科技——光子集成,樂觀預測二十一世紀將可能成就光子集成電路技術(shù)(PIC)的繁榮發(fā)展。本文從PIC技術(shù)概述、技術(shù)原理、分類、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展方向等五個方面進行簡述,以期對PIC行業(yè)研發(fā)及生產(chǎn)帶來借鑒意義。

        關(guān)鍵詞:集成電路;PIC;光子集成電路;光電子

        一、PIC技術(shù)概述

        在硅基光電子之前,用來做光器件的多為III/V族材料(如銦、砷)。但III/V族材料存在兩個方面的問題:一、材料成本較高且有毒性,例如砷元素,其實是砒霜的主要成分,而硅是地球上除了氧之外含量最高的元素,原材料成本非常低;再加上現(xiàn)在成熟的電路都是用硅基實現(xiàn)的,基于硅材料的集成電路產(chǎn)業(yè)鏈非常完善發(fā)達。二、生產(chǎn)工藝尚不成熟,產(chǎn)能及產(chǎn)品良率無法與基于硅的集成電路強大及成熟的產(chǎn)業(yè)鏈相提并論。

        PIC (Photonic Integrated Circuit:光子集成電路)的概念與電子集成電路的概念類似,只不過電子集成電路集成的是電子器件,而PIC集成的是各種不同的光學器件或光電器件。PIC集成相對于傳統(tǒng)OEO(光電光)的模式處理,降低了生產(chǎn)成本和器件復雜性,提高了產(chǎn)品可靠性并減小了體積,能夠以更低的成本構(gòu)建一個具有更多節(jié)點的全新網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),成為了光器件的主流發(fā)展方向,是光纖通信最前沿和最有前途的領域。

        二十世紀成就了電子集成電路技術(shù),而二十一世紀將成就光子集成電路技術(shù)。大規(guī)模集成電路的摩爾定律已經(jīng)接近材料物理性能極限,這就引發(fā)出光子集成的研究,從而形成一項新的前沿高科技——光子集成。光子集成采用合適的光學平臺、微納加工技術(shù)、高速率的發(fā)射、傳輸與探測等實現(xiàn)單片集成和混合集成,從而能夠?qū)崿F(xiàn)大容量和低能耗的信息傳輸。

        二、PIC技術(shù)原理

        光子集成技術(shù)的理論基礎是光子學,光子集成芯片具有三維結(jié)構(gòu),比二維結(jié)構(gòu)的半導體集成要復雜得多,光子集成電路技術(shù)主要是指圍繞特定的功能要求,在同一襯底(基片)上進行多次外延、光刻、沉積和刻蝕等工藝制作所有功能單元的技術(shù)。把光子器件融入微電子平臺 ,可以結(jié)合光子和電子兩個方面的優(yōu)勢,將打破傳統(tǒng)微電子技術(shù)在功耗與速度等方面的技術(shù)瓶頸,滿足不斷提升的產(chǎn)業(yè)應用需求,將可應對當前信息產(chǎn)業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。

        目前PIC技術(shù)突破的關(guān)鍵體現(xiàn)在以下幾方面:一是PIC采用何種材料及何種工藝來實現(xiàn);二是不同的光器件往往使用不同的襯底材料,PIC如何將不同材料的光器件實現(xiàn)集成及如何在同一襯底材料上實現(xiàn)所有的光器件功能;三是PIC如何提高大規(guī)模生產(chǎn)能力;這些方面將是降低PIC成本和實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)及應用的關(guān)鍵。

        三、PIC的分類

        按照實現(xiàn)集成的技術(shù)方式分類,可以將PIC分為單片集成PIC(Monolithic Integration)和混合集成PIC(Hybrid Integration)。單片集成PIC無論是在節(jié)能還是在可靠性等方面,相比混合PIC都具有明顯的優(yōu)勢?;旌霞蒔IC指的是將不同的單個功能的光器件集成在同一個器件中的技術(shù)模式。許多常見的光器件都利用混合集成的技術(shù)來實現(xiàn),然而由于各材料自身的不同特性,有源與無源光器件所采用的最佳材料并不一致,各方面物理特性以及封裝要求也會有所差別,這樣就使得集成多個分立元器件并保證器件綜合性能變得異常復雜,尤其是在實現(xiàn)大規(guī)?;旌霞蒔IC時這個問題尤為突出。

        按照器件類別分為無源和有源兩大類。無源PIC,也稱為全光PIC,這種PIC所集成的器件全部是無源光器件,普遍采用平面光波導技術(shù)(Planar Lightwave Circuit,PLC),發(fā)展相對成熟。有源PIC也稱之為光電PIC,這種PIC可以集成有源光器件,同時還可以集成無源光器件。

        按照基底材料分類,現(xiàn)有PIC研發(fā)路徑所采用的基底材料主要分為硅及二氧化硅、鈮酸鋰(LiNbO3)、砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)等。首先是硅及二氧化硅,它們是生產(chǎn)電子集成電路所用的基礎材料,其價格相對便宜且性能穩(wěn)定,加工工藝簡單成熟,成品率高,非常適合規(guī)?;a(chǎn)。但是硅基材料在PIC中應用時卻有三個致命的缺點:一是激光發(fā)射效率很低,硅基激光器非常難以實現(xiàn);二是硅基材料不能夠檢測到1310nm和1550nm波長的光,而這兩個波段正是光通信所采用的波段;三是由于硅基材料本身的限制,無法實現(xiàn)電光調(diào)制。其次是鈮酸鋰晶體,鈮酸鋰晶體主要用于制作高性能的電光調(diào)制器,其調(diào)制帶寬高,調(diào)制線性度好,受到了廣泛應用。但是鈮酸鋰晶體不能實現(xiàn)激光激射,也不能作為光探測器,同時其加工處理工藝也非常復雜,因此對于大規(guī)模PIC來說,鈮酸鋰晶體暫時并未發(fā)現(xiàn)實際應用的價值。雖然有源光電器件能夠在砷化鎵材料中實現(xiàn),但是砷化鎵材料的本征帶隙決定了它只能夠在波長為850nm的范圍內(nèi)工作,其應用受到很大限制。僅有磷化銦材料能夠同時集成有源與無源光器件,并且保證其工作波長為目前光通信廣泛使用的1310nm和1550nm波段;同時可以利用成熟的標準化半導體生產(chǎn)工藝實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),便于節(jié)約成本。因此,這就使得通過利用磷化銦材料實現(xiàn)大規(guī)模單片PIC生產(chǎn)及應用成為可能。

        四、PIC技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

        光電子集成技術(shù)比集成電路技術(shù)更復雜,研發(fā)及生產(chǎn)難度更大。PIC集成需要包含更多類別的光子和電子器件,在光源選用、工藝兼容和大規(guī)模制備等方面依然面臨著諸多短時間內(nèi)難以應對的挑戰(zhàn)。目前光子技術(shù)主要應用在光通信、光感知和光計算領域,而光通信是這三者當中應用最為廣泛的,光計算還處于實驗室研究階段,距離大規(guī)模商用尚有一段距離。

        國際上目前在光子集成研發(fā)方面取得了一定的技術(shù)進展,但光電融合技術(shù)的研究工作大多還停留在工藝和器件等物理結(jié)構(gòu)的融合方面,總體處于類似“單個晶體管”的時代。如下圖所示 ,目前光電融合系統(tǒng)正處于從器件和集成技術(shù)到回路技術(shù)的過渡階段,下一階段必須發(fā)展與集成電路類似的信號回路技術(shù),方可逐步邁向大規(guī)模光電融合階段。因此,光與電相融合的信號回路技術(shù)是光電融合的新挑戰(zhàn)。當然,集成電路的發(fā)展經(jīng)驗無疑也可以對光電融合集成回路的發(fā)展提供重要的技術(shù)借鑒。

        光子芯片技術(shù)已經(jīng)由硅光子集成技術(shù)向納米光子學范疇邁進。在材料方面,石墨烯等先進材料的研究也有望將光子芯片技術(shù)的應用推向新的高度。隨著光子技術(shù)的不斷發(fā)展,光子技術(shù)將幫助突破計算機電子技術(shù)的局限;尤其通過大幅增加數(shù)據(jù)容量和提高數(shù)據(jù)傳輸速度,光子技術(shù)將推動通信行業(yè)進入太比特時代,同時還可降低碳足跡和單位成本。

        五、PIC技術(shù)發(fā)展方向

        在技術(shù)和市場方面,PIC近幾年取得了突破性的進展。但是PIC無論從集成度、性能還是成本方面與電子集成電路相比較,都還存在巨大的差距。PIC將來的發(fā)展方向?qū)⒅饕性谝韵聨讉€方面。

        (1)繼續(xù)采用磷化銦材料作為襯底開展大規(guī)模PIC技術(shù)研究

        雖然采用磷化銦作為襯底有其自身的缺點,但行業(yè)內(nèi)各公司正在努力研發(fā)使得磷化銦成為唯一能夠?qū)崿F(xiàn)PIC大規(guī)模商用的材料。從可預見的情形看,硅基光子學在未來的幾年內(nèi)可能較難取得突破性進展。從技術(shù)角度看,采用磷化銦作為襯底材料也面臨著較多的技術(shù)難題,如何提高集成度、提高芯片性能以及如何進一步簡化工藝、降低成本等都是需要繼續(xù)研究的重點。

        (2)硅基大規(guī)模PIC技術(shù)研究

        硅基材料在電子集成電路中應用廣泛,電子集成電路產(chǎn)業(yè)成熟的規(guī)?;a(chǎn)工藝和低廉的成本對PIC來說都是巨大的誘惑。硅基電子集成電路不僅取得了商業(yè)上的巨大成功,更是深刻地改變了現(xiàn)代社會人類的生活方式。硅基PIC研究方向?qū)⒅饕性谕ㄟ^混合集成的方式實現(xiàn)硅基有源光器件,其中可重點研究如何利用現(xiàn)有成熟的CMOS工藝實現(xiàn)PIC集成。

        (3)集成光邏輯器件技術(shù)研究

        集成光邏輯器件是實現(xiàn)真正光子電路必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。集成光邏輯器件的研究目前仍處于基礎研究階段,能夠?qū)崿F(xiàn)的邏輯水平與電子邏輯器件相比相差甚遠。只有集成光邏輯器件的技術(shù)研究取得突破性進展,才有可能真正實現(xiàn)與當今電子集成電路類似真正意義上的光子電路技術(shù)的發(fā)展。

        結(jié)論

        光電融合是后摩爾時代的重要技術(shù)發(fā)展方向,被普遍認為是推動信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的有效方案。 隨著光電器件及其集成技術(shù)逐步走向成熟,行業(yè)將邁入光電融合集成回路研究的下一階段。 目前光電融合技術(shù)進入了一個非常關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折階段,研發(fā)及生產(chǎn)中借鑒引入電子集成電路的技術(shù)途徑勢必將加速光電融合技術(shù)的發(fā)展進程,可以預見將為行業(yè)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來較好的技術(shù)、經(jīng)濟和社會效應。對于光子集成電路技術(shù)(PIC)從技術(shù)概述、技術(shù)原理、分類、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展方向等五方面進行必要的整理簡述,也將具有較為重要的意義。

        參考文獻:

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