光通信技术路线

自从1947年Bell实验室诞生第一支晶体管以来，芯片的尺寸大小和晶体管的集成度都遵循着“摩尔定律”进行飞速的发展。然而摩尔定律随着芯片尺寸的减小，进入到深亚微米或纳米量级之后，其发展也面临越来越严峻的挑战。近几年来虽然芯片上的晶体管的数量仍在增加，但是由于晶体管的尺寸不断地减小导致其功能受到了限制，使得晶体管数量增加的速度已经明显开始减缓。具体来说就是随着沟道尺寸的减小，量子隧穿效应（quantum-mechanical tunneling）会降低晶体管的性能。同时随着半导体技术的提高半导体芯片的集成度越来越高，这使得各个器件之间的电互连布线引起的功耗损失和高集成度带来的散热问题越发的突出。

以光波为信号的载波以光纤为传输媒介的通信系统叫做光纤通信( Optical fiber communications )系统，光纤通信较传统电缆通信以及无线通信的优点有:通信容量大､传输损耗低、抗电磁干扰能力强、保密性强、传输媒介光纤的原材料是储存量丰富的二氧化硅｡ 另 外，光纤较电缆还有尺寸小、质量轻 、造价低等优点｡

光通信技术路线

面对微电子技术发展所遇到的物理瓶颈和技术挑战，人们开始用光子作为信息载体以实现更大带宽、更高速率、更低功耗、更低延时的光子集成回路 (photonics inteated circuit, PIC)。光子集成回路的一个重要目标是实现光的产生、耦合、调制、滤波、传输、探测等功能器件的集成，如图所示。

光子集成回路的最初驱动力来自于数据通信，而后在微波光子学、量子信息处理、非线性光学、传感器、激光雷达等领域得到了巨大的发展。基于不同材料的物理特性，目前的光子集成平台有：

(1)绝缘体上硅(silicon-on-insulator, SOI)。

SOI平台依赖成熟的CMOS工艺和高质量的生态环境，可以实现硅光子芯片的大批量、低成本制造。材料属性上，硅是间接带隙材料，其禁带宽度是1.12 eV，不适合用来做激光器。但是SOI体系的波导折射率差异大、模场限制能力强，可以制备紧凑、低损耗、高一致性的光波导。通过波导掺杂的方式，利用等离子色散效应可以制备带宽>50 GHz的电光调制器。硅材料对波长大于1.1μm 的红外光是透明的，所以在通信波段，纯硅不适合做光电探测器。但是锗硅光电探测器在制造工艺上和CMOS兼容，带宽可以达到67GHz以上，响应度也可以达到1A/W。SOI平台可扩展性高，可以通过双极互补金属氧化物半导体(Bipolar CMOS,

BiCMOS)工艺实现 电子器件和光子器件的单片集成。由于硅波导的模场有效面积小，光功率密度大，当波导中的光功率较强时，除了造成较大的双光子吸收损耗外，也可能造成不可逆的物理损伤。因此，硅波导中能承受的最大光功率不能超过20dBm。

(2)氮化硅(silicon nitride,SiN)平台。

SiN是CMOS工艺中的一种常见材料，常用作绝缘体和化学阻挡层。SiN一般通过在高温(>700℃)下的低压化学气相沉积(low pressure chemical vapour deposition, LPCVD)或在低温(<400℃)下通过等离子增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical

vapour deposition, PECVD)来制备。与SOI波导相比，SiN和氧化物包层之间的折射率差仅为38%。因此，在传播损耗方面，SiN在无源器件的性能上胜过SOI。除此之外，SiN波导的双光子吸收损耗也低于SOI波导，因此可以用来制备高品质因子的微环以及高功率应用场景下的功率分配网络。SiN波导的热光系数比SOI波导小一个数量级左右，热敏性好，可以应用于温度不敏感的器件设计，如(解)复用器。尽管SiN平台可以实现性能优异的无源器件，但它缺乏单片集成的高速器件，如调制器和探测器。这些高速器件的制备依赖于和其他材料的集成。

(3)二氧化硅(silicon dioxide, SiO2)平台。

SiO2平面光波导具有损耗小 (1.5~2 dB/m)、工艺容差大、与单模光纤模场匹配好等优点，被广泛应用于无源光网络的功分器、光收发模块的波分复用器等。根据衬底材料的差异，SiO2 平面光波导分为硅衬底和石英衬底器件。采用硅衬底制作的器件，散热性能优异、常用于制作阵列波导光栅、热光开关等温度敏感性器件。采用石英衬底制作的器件，一致性高、良率高，但是散热性能差，常用于分束器等波长敏感的器件。

(4)磷化铟(indium phosphide, InP)平台。

材料属性上，InP是直接带隙材料，可以作为激光器的增益介质。对于需要光学增益，如激光器或半导体光放大器的有源光子集成回路，基于InP的光子集成平台是最适合的。InP作为一个全集成的光子集成平台，功能是最全的，性能也是最佳的。基于InP平台的光收发芯片在光通信领域已经实现了规模化的量产。然而InP的晶圆尺寸很小，只有1~4英寸，而且外延工艺复杂，导致了非常高的单位成本。

(5)铌酸锂(lithium niobite, LN)平台。

LN具有优异的物理和化学性质，如电光系数大(33 pm/V)、光学透明窗口大、居里温度高等,这使得LN平台的商业化规模非常大。传统的LN调制器通过采用质子交换或离子内扩散技术在非晶态晶片的折射率中引起小的扰动来定义光波导，缺点是模斑尺寸大、电极间距大、电光调制效率弱。不仅如此，传统LN波导的弯曲半径大，超过了1 mm，不利于规模化的光子集成。LN-on-insulator

(LNOI)平台几乎继承了传统铌酸锂的所有材料优势，并以更小的尺寸、更大的带宽和更低的功耗放大了这些优势。预计未来LNOI调制器将同时实现CMOS级驱动电压(sub-1V)、大于100 GHz的带宽、小于0.5dB的片上损耗、瓦特量级的光功率处理、线性的电光响应、大于50dB消光比以及优异的稳定性，这些是SOI平台和InP平台所不能比拟的。但是铌酸锂只适合做调制器件，在光子集成方面仍然需要与其他材料体系混合集成。