隨著我國信息技術(shù)的發(fā)展,如云計(jì)算?大數(shù)據(jù)?自動(dòng)駕駛?人工智能等,光通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力得到了顯著的提升,已經(jīng)成為了現(xiàn)代通信基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分和關(guān)鍵承載底座?

隨著國家啟動(dòng)了“東數(shù)西算”工程,進(jìn)一步推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心的發(fā)展,進(jìn)而增加了對(duì)高性能光模塊和光器件的需求?因?yàn)樵趥鬏斎萘?集成度?成本和能耗等方面存在優(yōu)勢(shì),光芯片?光模塊成為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)的關(guān)鍵構(gòu)成?數(shù)據(jù)中心應(yīng)用需要的光模塊己占大約75%通信所需光模塊的市場(chǎng)份額?因此,數(shù)據(jù)中心已成為光模塊的主要應(yīng)用場(chǎng)景之一?光通信的發(fā)展規(guī)律基本符合“光摩爾定理”,即傳輸距離不變,傳輸容量持續(xù)翻倍?目前業(yè)內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的400Gb/s以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速,通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量急劇增長,這促使數(shù)據(jù)中心朝高速和大容量方向發(fā)展,也推動(dòng)光模塊向更高速率升級(jí)。

結(jié)合光通信的高速發(fā)展，本文將對(duì)光通信的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹！

一、光通信發(fā)展背景

自從1947年Bell實(shí)驗(yàn)室誕生第一支晶體管以來，芯片的尺寸大小和晶體管的集成度都遵循著“摩爾定律”進(jìn)行飛速的發(fā)展。然而摩爾定律隨著芯片尺寸的減小，進(jìn)入到深亞微米或納米量級(jí)之后，其發(fā)展也面臨越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。近幾年來雖然芯片上的晶體管的數(shù)量仍在增加，但是由于晶體管的尺寸不斷地減小導(dǎo)致其功能受到了限制，使得晶體管數(shù)量增加的速度已經(jīng)明顯開始減緩。具體來說就是隨著溝道尺寸的減小，量子隧穿效應(yīng)（quantum-mechanical tunneling）會(huì)降低晶體管的性能。同時(shí)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的提高半導(dǎo)體芯片的集成度越來越高，這使得各個(gè)器件之間的電互連布線引起的功耗損失和高集成度帶來的散熱問題越發(fā)的突出。

什么是光通信？

以光波為信號(hào)的載波以光纖為傳輸媒介的通信系統(tǒng)叫做光纖通信( Optical fiber communications )系統(tǒng)，光纖通信較傳統(tǒng)電纜通信以及無線通信的優(yōu)點(diǎn)有:通信容量大?傳輸損耗低、抗電磁干擾能力強(qiáng)、保密性強(qiáng)、傳輸媒介光纖的原材料是儲(chǔ)存量豐富的二氧化硅? 另 外，光纖較電纜還有尺寸小、質(zhì)量輕 、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)?

二、光通信器件構(gòu)成

下圖是一個(gè)簡(jiǎn)略的光子集成電路的組成器件：激光器、光復(fù)用與解復(fù)用器件以及光電探測(cè)器和調(diào)制器。

光纖雙向通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括：電發(fā)射機(jī)、光發(fā)射機(jī)、傳輸光纖、光接收機(jī)和電接收機(jī)。

高速的電信號(hào)由電發(fā)射機(jī)進(jìn)行編碼傳送到光發(fā)射機(jī)內(nèi)，通過激光器（Laser device，LD）等電光器件轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，然后耦合到傳輸光纖中。

光信號(hào)通過單模光纖進(jìn)行長距離傳輸后，可利用摻鉺光纖放大器進(jìn)行光信號(hào)的放大后繼續(xù)傳輸。到光接收端后，通過PD等器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并通過后續(xù)電學(xué)處理進(jìn)入電接收機(jī)，完成信號(hào)的接收。反方向的信號(hào)收發(fā)過程也相同。

為了實(shí)現(xiàn)鏈路中設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化，同一位置的光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)逐漸實(shí)現(xiàn)一體化，成為光收發(fā)模塊（Transceiver）。

高速光收發(fā)模塊是由以光收發(fā)組件（Receiver Optical Subassembly，ROSA；Transmitter Optical Subassembly，TOSA） 為代表的有源光器件、無源器件、功能電路和光電接口組件等封裝而成。ROSA 和TOSA又由激光器、光電探測(cè)器等以光芯片的形式封裝而成。

三、光通信技術(shù)路線

面對(duì)微電子技術(shù)發(fā)展所遇到的物理瓶頸和技術(shù)挑戰(zhàn)，人們開始用光子作為信息載體以實(shí)現(xiàn)更大帶寬、更高速率、更低功耗、更低延時(shí)的光子集成回路 (photonics inteated circuit, PIC)。光子集成回路的一個(gè)重要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)光的產(chǎn)生、耦合、調(diào)制、濾波、傳輸、探測(cè)等功能器件的集成，如圖所示。

光子集成回路的最初驅(qū)動(dòng)力來自于數(shù)據(jù)通信，而后在微波光子學(xué)、量子信息處理、非線性光學(xué)、傳感器、激光雷達(dá)等領(lǐng)域得到了巨大的發(fā)展。

基于不同材料的物理特性，目前的光子集成平臺(tái)有：

(1)絕緣體上硅(silicon-on-insulator, SOI)。

SOI平臺(tái)依賴成熟的CMOS工藝和高質(zhì)量的生態(tài)環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)硅光子芯片的大批量、低成本制造。材料屬性上，硅是間接帶隙材料，其禁帶寬度是1.12 eV，不適合用來做激光器。但是SOI體系的波導(dǎo)折射率差異大、模場(chǎng)限制能力強(qiáng)，可以制備緊湊、低損耗、高一致性的光波導(dǎo)。

通過波導(dǎo)摻雜的方式，利用等離子色散效應(yīng)可以制備帶寬>50 GHz的電光調(diào)制器。硅材料對(duì)波長大于1.1μm 的紅外光是透明的，所以在通信波段，純硅不適合做光電探測(cè)器。但是鍺硅光電探測(cè)器在制造工藝上和CMOS兼容，帶寬可以達(dá)到67GHz以上，響應(yīng)度也可以達(dá)到1A/W。

SOI平臺(tái)可擴(kuò)展性高，可以通過雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Bipolar CMOS, BiCMOS)工藝實(shí)現(xiàn) 電子器件和光子器件的單片集成。由于硅波導(dǎo)的模場(chǎng)有效面積小，光功率密度大，當(dāng)波導(dǎo)中的光功率較強(qiáng)時(shí)，除了造成較大的雙光子吸收損耗外，也可能造成不可逆的物理損傷。因此，硅波導(dǎo)中能承受的最大光功率不能超過20dBm。

(2)氮化硅(silicon nitride,SiN)平臺(tái)。

SiN是CMOS工藝中的一種常見材料，常用作絕緣體和化學(xué)阻擋層。SiN一般通過在高溫(>700℃)下的低壓化學(xué)氣相沉積(low pressure chemical vapour deposition, LPCVD)或在低溫(<400℃)下通過等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapour deposition, PECVD)來制備。與SOI波導(dǎo)相比，SiN和氧化物包層之間的折射率差僅為38%。因此，在傳播損耗方面，SiN在無源器件的性能上勝過SOI。除此之外，SiN波導(dǎo)的雙光子吸收損耗也低于SOI波導(dǎo)，因此可以用來制備高品質(zhì)因子的微環(huán)以及高功率應(yīng)用場(chǎng)景下的功率分配網(wǎng)絡(luò)。SiN波導(dǎo)的熱光系數(shù)比SOI波導(dǎo)小一個(gè)數(shù)量級(jí)左右，熱敏性好，可以應(yīng)用于溫度不敏感的器件設(shè)計(jì)，如(解)復(fù)用器。盡管SiN平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)異的無源器件，但它缺乏單片集成的高速器件，如調(diào)制器和探測(cè)器。這些高速器件的制備依賴于和其他材料的集成。

(3)二氧化硅(silicon dioxide, SiO2)平臺(tái)。

SiO2平面光波導(dǎo)具有損耗小 (1.5~2 dB/m)、工藝容差大、與單模光纖模場(chǎng)匹配好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于無源光網(wǎng)絡(luò)的功分器、光收發(fā)模塊的波分復(fù)用器等。根據(jù)襯底材料的差異，SiO2 平面光波導(dǎo)分為硅襯底和石英襯底器件。采用硅襯底制作的器件，散熱性能優(yōu)異、常用于制作陣列波導(dǎo)光柵、熱光開關(guān)等溫度敏感性器件。采用石英襯底制作的器件，一致性高、良率高，但是散熱性能差，常用于分束器等波長敏感的器件。

(4)磷化銦(indium phosphide, InP)平臺(tái)。

材料屬性上，InP是直接帶隙材料，可以作為激光器的增益介質(zhì)。對(duì)于需要光學(xué)增益，如激光器或半導(dǎo)體光放大器的有源光子集成回路，基于InP的光子集成平臺(tái)是最適合的。InP作為一個(gè)全集成的光子集成平臺(tái)，功能是最全的，性能也是最佳的?；贗nP平臺(tái)的光收發(fā)芯片在光通信領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；牧慨a(chǎn)。然而InP的晶圓尺寸很小，只有1~4英寸，而且外延工藝復(fù)雜，導(dǎo)致了非常高的單位成本。

(5)鈮酸鋰(lithium niobite, LN)平臺(tái)。

LN具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，如電光系數(shù)大(33 pm/V)、光學(xué)透明窗口大、居里溫度高等,這使得LN平臺(tái)的商業(yè)化規(guī)模非常大。傳統(tǒng)的LN調(diào)制器通過采用質(zhì)子交換或離子內(nèi)擴(kuò)散技術(shù)在非晶態(tài)晶片的折射率中引起小的擾動(dòng)來定義光波導(dǎo)，缺點(diǎn)是模斑尺寸大、電極間距大、電光調(diào)制效率弱。不僅如此，傳統(tǒng)LN波導(dǎo)的彎曲半徑大，超過了1 mm，不利于規(guī)?；墓庾蛹?。

LN-on-insulator (LNOI)平臺(tái)幾乎繼承了傳統(tǒng)鈮酸鋰的所有材料優(yōu)勢(shì)，并以更小的尺寸、更大的帶寬和更低的功耗放大了這些優(yōu)勢(shì)。預(yù)計(jì)未來LNOI調(diào)制器將同時(shí)實(shí)現(xiàn)CMOS級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓(sub-1V)、大于100 GHz的帶寬、小于0.5dB的片上損耗、瓦特量級(jí)的光功率處理、線性的電光響應(yīng)、大于50dB消光比以及優(yōu)異的穩(wěn)定性，這些是SOI平臺(tái)和InP平臺(tái)所不能比擬的。但是鈮酸鋰只適合做調(diào)制器件，在光子集成方面仍然需要與其他材料體系混合集成。

四、不同技術(shù)路線特點(diǎn)

下表總結(jié)了基于不同材料體系的光子集成回路的優(yōu)缺點(diǎn)。以InP為代表的III-V族化合物半導(dǎo)體平臺(tái)幾乎可以實(shí)現(xiàn)光子集成回路所需的所有器件，如激光器、調(diào)制器、探測(cè)器、放大器等。但是InP是化合物晶圓，晶圓尺寸小、外延工藝復(fù)雜、良率低，這導(dǎo)致了非常高的單位成本。

LN平臺(tái)具有非常優(yōu)越的電光調(diào)制特性，而且產(chǎn)業(yè)化程度較高，但是在其他有源和無源器件的制備上只能依靠混合集成。Si、SiN、SiO2平臺(tái)在無源器件方面，它們的性能是最好的，而且在材料屬性上可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

但有源器件諸如調(diào)制器的性能，Si平臺(tái)不如InP和LN平臺(tái)。但是硅光子平臺(tái)的特點(diǎn)是晶圓尺寸大，工藝上和CMOS兼容，在降低成本方面具有非常大的優(yōu)勢(shì)。而且硅光子平臺(tái)可以利用CMOS的先進(jìn)封裝工藝，實(shí)現(xiàn)緊湊、低功耗、大帶寬密度的光電子集成芯片。因此，在產(chǎn)業(yè)界的權(quán)衡下，硅基光子集成在高速光收發(fā)芯片、微波光子等領(lǐng)域是最具有性價(jià)比的選擇。

五、結(jié)論

由于激光器、光電探測(cè)器芯片具有極高的技術(shù)壁壘和復(fù)雜的工藝流程，使得ROSA和TOSA占光模塊總成本的 50%以上，并且占比會(huì)隨著光模塊速率的提高而增加。激光器、光電探測(cè)器芯片的自主制造能力體現(xiàn)著國家光通信產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，而我國目前這兩種芯片大量依賴進(jìn)口。光收發(fā)模塊中的光電探測(cè)器對(duì)接收光 信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)起著至關(guān)重要的作用，一個(gè)高性能的光電探測(cè)器必須能 夠檢測(cè)每秒數(shù)十億次的光脈沖。

因此，發(fā)展高速、高靈敏度的光電探測(cè)器是滿足未來光通訊快速、大容量需求的關(guān)鍵！

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