1. 光子芯片發展的復雜度

　　微電子學中著名的摩爾定律認為在單片芯片上集成的晶體管數量以指數規律發展，也就是說在過去的四十年中以每兩年翻一番的速度進行增長。在光子學中我們也觀察到了相似的情況，包括早期階段。圖1和表1顯示了基于InP的光子芯片(PICs)發展的復雜度。

圖1  光子芯片復雜度的發展

表1  光子芯片復雜度的發展

　　早期復雜的基于InP的PICs包括1989年由Koren等制作的WDM源，1991年由Cremer等制作的光柵接收機，1992年由Gustavsson等制作的開關陣列，1994年由Kaiser等制作的外差接收機。目前為止報道的最復雜的是基于陣列波導光柵(AWG)的PICs。1988年Smit制作出第一片AWG，隨后復雜度不斷提高，WDM接收機在1993～1996年間的實現5～10個元件的集成，WDM激光器在1994～1996年間實現10～20個元件的集成，WDM通道選擇器在1994～2001年間實現10～20個元件的集成。

　　新世紀以來復雜性方面明顯增加：WDM接收機和發射機芯片在2003～2005年間集成了44～51個元件。特別是在2006年，Infiner突然報道實現了集成241個元件的40通道WDM發射機。最近的器件包括2009年Nicholes報道的集成超過175個元件的全光可調諧8×8波長路由器，2010年Soares報道的集成超過300個元件的100通道任意波形發生器。最近Infiner報道了迄今最復雜的PIC，即集成超過400個元件的偏振復用正交差分相移鍵控(PM-DQPSK)發射機。

　　圖1顯示出光子芯片復雜度的增長大致呈現指數規律，但是比微電子具有更多的離散點。如果僅僅看基于AWGs的器件，大部分奇異點將消失，從而呈現明顯的光子學摩爾定律。

　　2. 光子學和微電子學的差異

　　但是，光子學和微電子學中的摩爾定律存在重大的差異。微電子學中用于復雜度計算的器件是商業應用ICs，但是光子學中的器件卻僅存在于文獻中，而沒有實際的市場應用。那么為什么文獻中報道的高級PICs在歐洲、美國、遠東地區已經具有了二十年的技術積累，還是沒有進入市場呢？該問題和目前的項目資助模式有關：技術發展和其應用緊密相關，在沒有顯著或者重要的應用時就不會獲得資助。另外由于各實驗室制作光子芯片都是按照自己的技術進行，成本相對較高，還達不到廣泛推廣應用的要求。這和微電子學中雖然市場廣大但是技術體系單一的狀況有很大不同。因此光子芯片發展問題的解決方案就是：應用微電子學改變世界的方法到光子學集成中。具體說需要分兩步實現：

　　第一步，開發幾個能夠實現廣大功能的通用集成技術；

　　第二步，開發一些能夠開放式獲取這些技術的基礎性架構。

　　3. 通用的光子集成技術

　　微電子學中的復雜功能都是通過以不同的數量和結構來組裝像晶體管、二極管、電阻、電容、連接器等一系列相當小的標準部件實現的。復雜度從幾百個到幾十億個部件的都有。

　　光子學中我們可以采取類似的方式。縱觀光子回路的功能，可以看出它們一般由以下一些元件組成：激光器、光放大器、調制器、探測器、耦合器、濾波器、復用/分離器等。通過合適的設計這些元件，也可以將其最小化到一系列基本的標準部件。

　　作為基本的標準部件我們需要一些被動器件實現光的合成和分束，這樣的器件分為波長相關和波長無關兩類，前者包括濾波器、波分復用器等，后者包括功分器、耦合器和合束器等。大部分這樣的器件可以通過組合不同寬度和長度的被動波導來構成，因此只要集成步驟合適，就可以通過集成被動波導來構造被動器件，比如多模干涉(MMI)耦合器和AWG。另外這些被動器件作為基本的標準部件如果要實現更復雜的功能還應該能對光信號的相位、幅度和偏振態進行控制。

　　圖2顯示了利用通用的InP技術可以實現的功能，包括被動波導器件、相位調制器、半導體光放大器、偏振轉化器等四種基本的標準部件。圖3顯示了一個具有納秒量級開關速度的集成離散可調諧激光器。

圖2  利用通用的InP技術可以實現的標準部件

圖3  基于AWG的快速調諧激光器的環路方案和顯微照片

　通用集成技術的一個優勢是：由于具有廣大的市場，因此為了在基本標準部件級獲取非常高的性能而對這種技術研發進行投資將會是正確的。這也將使得以這樣的技術實現的光子環路具有很強的競爭力。當然單個集成技術的高性能不會對每一種應用都適用，就像微電子學中針對高壓、高速、高能或者低能等不同的應用類型需要不同的技術。光子學中也需要針對不同類型的應用優化出幾種不同的集成技術，從而涵蓋絕大部分的應用領域。但是需要的集成技術數量將會遠遠小于當前所擁有的數量。

　　4. 通用的光子學加工模式

　　一旦成熟的通用光子學集成技術開發出來之后，就需要一個面向大量用戶的低準入門檻。在微電子學軟件中，美國的MOSIS和歐洲的EUROPRACTICE提供了低成本的商業加工，包括文檔、訓練以及設計軟件。

　　定制的加工模式

　　在定制的加工模式中，很多工廠都是租用別人的生產線，同時工廠的生產都是針對特定的消費者及他們特殊的需求。由于這種模式中所有的發展費用都需要消費者來支付，所以實際上是屬于消費者的。該模式也使得行業的進入門檻變低，因為可以不用修建自己的超凈間，可以通過租用來實施生產。該模式仍然是針對一些特殊應用，因此成本得不到分攤，仍然較微電子行業中的通用技術高出很多。

　　ePIXnet

　　光子學中還不存在由通用集成技術提供的通用加工模式，其中FP6網絡ePIXnet已經走出了第一步。該網絡始建于2004年9月，將獨立的研究擴展到可以分享昂貴的基礎性技術設施的集成研究。該模式可以激發超凈間的擁有者將其設備向廣大的無設備者開放。這樣可以由更多的使用者來分擔成本，從而邁出了向集成技術平臺發展的第一步。

　　集成技術平臺

　　現在已經確定兩種主要的集成技術平臺：一是JePPIX，用于基于InP的集成技術，該技術可以提供包括復雜激光器和放大器在內的很多集成功能；二是ePIXfab，用于Si光子學的集成，該技術與CMOS技術兼容，因此其潛在性能較好而且成本較低。第三種平臺TriPleX也處于確定之中，它主要用于介質波導技術，可以提供低損耗和高質量的被動器件，也可以提供從可見光到紅外整個波段的熱光器件。

　　多項目晶片

　　三個平臺都可以通過多項目晶片(MPWs)的方式應用到相應的技術中。MPWs將來自不同用戶的測試版本集成到一個單一的晶片上，從而大大減少了芯片設計和研發的成本。

　　通用加工模式

　　通用加工模式中應該考慮如下一些活動：

　　1) 通過完全的或者多項目晶片構建成熟的或歸檔的商用加工程序。

　　2) 開發專用設計軟件和元器件庫，以便可以快速和精確設計。

　　3) 中介服務：輔導和培訓對技術不熟悉的使用者。

　　4) 創建能夠幫助不知道如何設計芯片的用戶進行設計的工作室。

　　5) 使用通用的測試設備。

　　6) 使用通用的封裝設備。

　　這些活動在ePIXnet集成技術平臺上已經進入了研究級的水平，可以考慮引入微電子領域的特殊集成芯片應用(ASICs)到光子學中，從而達到產業級的應用，該方式可以稱為特殊光子學集成芯片應用(ASPICs)。

　　5. 通用光子學集成技術的前景

　　節約設計研發的時間和成本

　　通過使用歸檔的高性能加工過程可以大大減少過程開發的高成本；通過將幾個使用者的設計集成到一個單一的MPW上可以大大減少設計開發的成本；通過精確設計軟件的使用可以大大減少設計研發周期；通過ASPICs過程的嚴格控制可以增加器件加工以及封裝過程的可靠性，從而增加合格率減少返修率，也就大大減少了測試和質量維護的時間和成本。總的來說相對于傳統的加工模式，通用加工模式在中小體積PIC的成本方面將會減少10倍以上。

　　性能

　　即使通用過程并不是對每一種應用都有效，但是對大部分的應用來說還是具有競爭力的。比如EuroPIC開發的加工過程和PARADIGM過程就是基于已經存在的集成平臺技術，可以生產高性能的調諧激光器和高速接收機。表2給出了PARADIGM項目在2014成功完成后各功能模塊預期可以達到的性能指標。可以看出它們仍然保持了單個器件的水平。如果幾個通用技術可以得到持續的投資相信這些性能將會穩定增長甚至在某些特定應用中比特殊技術更好。

表2  InP通用加工過程中功能模塊預期可以達到的性能指標

市場開發

　　迄今為止，PICs主要應用于通信中的一些利基領域，這些領域往往具有普通技術無法滿足的性能需求。一旦通用技術使得PICs的成本下降之后，它們在通信接入網等領域也將具有廣泛的市場。

　　同時隨著設計研發和加工成本的降低，PICs在其他領域也將具有廣泛的應用。比如光纖傳感市場，PICs可以代替大量已經存在的光源、探測器、信號出來回路等模塊。還有光學相干層析技術(OCT)，傳統OCT主要使用800nm窗口用于視網膜診斷，但是對于皮膚和血管診斷來說1500nm波長將是更好的選擇，這提供了很好的InP PICs應用于OCT設備的機會。另外還有一類器件應用就是皮秒和飛秒脈沖激光器，PICs可以集成包含任意脈沖整形器的鎖模激光器，可以產生廣泛的不同應用，比如高速脈沖產生器、時間恢復回路、超快AD轉換器和多光子顯微鏡等。

　　以上只是列出了PICs應用中一些例子，一旦ASPICs變得便宜之后它們將會給各類公司提高競爭力提供廣泛的機會。

　　復雜度的發展

　　我們期望在接下來的幾年中低成本的商用PICs加工技術能得到應用，從而使得PICs的市場份額快速增加。但是也不希望芯片復雜度隨之大大增加。首先被動器件中不可避免的損耗將會限制可以級聯的元件數量，主動器件中由于熱沉散熱量的限制也使得其集成數量最多也就幾百個。其次由于基本的功能模塊和處理回路仍然以模擬方式運轉，因此信號在大量元件中傳輸必然會導致噪聲累積導致信號失真從而需要進行信號再生，集成信號再生器將會消耗空間和功率。因此我們預期芯片的飽和復雜度維持在單芯片1000個元件左右，如圖4的“Generic InP”曲線所示。當然這并不意味這光子學芯片的復雜度將終止于該水平。

圖4  光子集成芯片(PICs)復雜度發展的理想曲線

　　6. 下一代通用集成技術

　　薄膜技術可以通過高的垂直折射率差將光限制在薄膜層內，因此由它構成的器件尺寸將會更小，很多情況下，尺寸越小意味著速度越快功率消耗越低，因此薄膜技術最有望成為下一代通用集成技術。最近幾年硅薄膜技術在性能和成熟度上已經取得了較大的進展。最近的研究展示了SiGe技術在制作高速調制器和探測器方面的可行性。硅基PICs的主要問題仍然是光的產生和放大。在硅光子學中獲得單片集成光源方面已經提出了一些有趣的想法，包括使用多孔硅，硅納米晶體，摻鉺硅和GeSn。最近MIT展示了在硅中高N摻雜Ge的材料中可以獲得增益。但是迄今為止這種方式制作的激光器的性能遠遠趕不上基于GaAs和InP的帶隙性半導體激光器。因此硅薄膜集成平臺致力于使用Ⅲ-Ⅴ激光器。圖5演示了4種不同的組合方式。

圖5  在硅光子集成芯片中產生光的四種方式

　　圖5(a)是MIT采取的一種方式，光通過外部光源耦合到硅薄膜中，該方式在片上互聯網中具有最短的路徑，但是其擴展性較差，而且沒有集成光源其復雜度也受到了限制，迄今為止該方式報道的最高復雜度是每片86個元件。

　　圖5(b)是IMEC，LETI和COBRA采用的方式，將激光器和探測器制作在沉積于硅薄膜頂上的Ⅲ-Ⅴ中，然后光通過一個薄的低折射率層傳入硅層中。該方式中很難得到有效的光耦合。

　　圖5(c)是UCSB和Intel采用的稍微不同的方式，將有源Ⅲ-Ⅴ層直接沉積到硅薄膜中，通過原子結合可以使該硅波導具有增益。該方式中光從有源層到被動層的耦合仍然很難，因為所需要的高限制和高耦合效率是一對矛盾。

　　圖5(d)是我們采用的方式，將硅薄膜換成了InP薄膜(IMOS)，通過亞微米尺度的選擇性再生技術在薄膜中進行優先結合構造局部的有源區。該方式在一個薄膜中實現了主動和被動功能，它們之間的耦合也不再是問題。另外該方式中關于基底的校準問題也得到緩和。同時由于使用了較厚的聚合層來結合InP薄膜和基底，因此實現時是獨立于表面形態的。這對于將來將IMOS光子集成回路和CMOS電路進行結合將是很重要的。

　　InP薄膜的光學性能和硅薄膜的性能非常相似。我們已經利用IMOS技術制作很多高質量的被動器件，如圖6所示：損耗7dB/cm的光子線，5μm彎曲半徑損耗可忽略的曲線波導，損耗僅0.6dB的MMI耦合器，Q因子大于15000的環形濾波器，長度4μm包含整個L/C/S波段的偏振轉換器。

圖6  被動IMOS器件

　但是為了獲得可用于光子學集成平臺的完整的器件系列，還需要利用該技術開發更多的器件。最重要的是激光器和放大器等主動器件。圖7顯示了一個盤狀的有源區，半徑為250nm，包含4個設計激發波長為1.55μm的量子阱，該有源區已經實現了光發射。為了獲得半導體激光器的全部優勢，還需要電子注入，該方式正在研究中。

圖7  再生之前的亞微米有源區

　　IMOS技術結合了經典的InP光子學和經典的硅光子學，最終它將在不需要高功率的領域廣泛的代替InP光子器件。同時由于在光產生和放大方面硅光子器件無能為力，因此IMOS也將占據這些領域。

　　由于薄膜器件更小的尺寸和功率消耗，我們預期能夠有效集成光源和放大器的薄膜技術所允許的芯片集成復雜度將比經典InP技術高一個數量級，如圖4中曲線所示。

　　7. 集成技術的最終形式

　　當光子集成達到了大規模集成(LSI，>10000)或者超大規模集成(VLSI，>1000000)水平，必然出現由模擬信號處理向數字信號處理的轉變。

　　一個全光數字信息處理系統包含：具備完整布爾運算體系并可以級聯用于任何數字運算的器件和器件系列。這些器件必需具備微型尺寸，能夠被密集集成，能夠用集成回路技術進行互連(也意味必需具備低功率需求)，必需能夠以相對于電子學更高的速度運轉。雖然過去40年里大家都致力于制作符合上述要求的器件，但是由于缺乏快的、堅固的、低功率光學非線性的材料，因此并沒有實現高速、復雜、集成的數字光學處理器。

　　激光器具有適合數字運算的非線性光學特性，而且也可以作為光學信號的光源。微納激光器還具有小尺寸、低功率。因此能夠在一塊芯片上集成較多的數量并具有高速運轉的潛能，也能夠相互耦合實現數字功能。

　　小型化是低功率激光器實現高速數字運算的關鍵問題。由于衍射的限制，絕緣介質腔到達最小光學模式尺寸時整個激光器仍然具有幾個波長的尺寸。為了進一步減小器件尺寸，可以使用金屬制作激光諧振腔，該方式可以使器件尺寸在2個或者3個維度上小于一個波長。金屬激光器在低功率下可以具有THz的調制或者弛豫振蕩頻率。該特性使得數字光子器件在高性能應用中可以媲美于電子器件。

　　過去很長時間內認為金屬納米腔的損耗很大，但是近期實驗證明金屬制作的納米激光諧振腔不僅可以使得激光器的整個尺寸小于一個波長，而且光學模式尺寸也會被減小到衍射極限以下。

　　圖8顯示了我們的特殊結構，在一個薄的絕緣體中刻蝕一對具有非同性結構的柱子，然后再用一厚的惰性金屬層將整個結構包起來。柱子的直徑大約260nm，包含一高度為300nm的InGaAs有源區。柱子中的InGaAs非同性結構和金屬構成諧振腔，在低溫下該諧振腔實現了1400nm的激光激發，閾值電流在77K時是6μA。

圖8  金屬納米激光器

圖9  通過封裝非同性結構實現的MIM波導

　　上述非同性結構方式中通過改變柱子形狀可以制作波導，比如在一片長的薄正方形柱子中刻蝕相同的結構。將整個柱子用金屬包起來之后形成了所謂的金屬-絕緣體-金屬(MIM)波導。MIM波導是少數幾種真正允許光的亞波長限制和傳輸的結構之一，光可以在任意的薄絕緣體區域傳輸，如圖9所示。

　使用MIM波導可以有效的將激光耦合到傳統介質波導或者其他被動或主動性帶隙等離子模式波導中。理論顯示通過傳統的集成光學可以將MIM波導制成很多普通的波導器件，比如分束器、光柵等。另外MIM波導不僅可以將光限制在亞波長范圍內傳輸，而且具有非常緊湊的封裝密度。

　　理論上，使用MIM波導可以構造小尺寸、高質量模式重疊、低質量因子的激光器，使激發激光的調制帶寬在THz量級，抽運功率幾十毫瓦。如此小體積、高速和低功率的激光器將構成集成數字光子學處理系統的基礎。原則上在單片芯片上集成超過100000個這樣的激光器是可行的，這將把我們帶入到光子學的VLSI時代。另外等離子的納米激光器也有望用于推進激光器尺寸的小型化。

　　8. 結  論

　　本文討論了由于微電子和光子學集成技術的巨大差別而使得摩爾定律不能應用到光子學中的觀點。對于今天的光子集成技術來說該觀點確實是對的。但是正是由于不同的最大原因是由于光子集成技術中沒有取得和微電子學一樣的成本優勢，所以必需盡可能地排除這些不同之后才能得到正確的結論。應用微電子學的方法學到光子學中，可以期望PICs的設計研發和生產成本將大大降低，它們將在通信、數據處理、傳感、醫學設備、度量學、光子消費產品等領域取得突破性的廣泛應用。這也將加速更多高級集成技術的發展從而最終將我們帶入超大規模光子集成芯片(VLSI PICs)時代。