综合研究报告

本文是发表在《IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics》上的一篇综述性学术论文，题为“System-on-Chip Photonic Integrated Circuits”，发表于2018年1-2月卷（Vol. 24, No. 1），论文编号为6100120。本文由来自Infinera Corporation的Fred Kish（Fellow, IEEE）、Vikrant Lal、Peter Evans、Scott W. Corzine等多位作者联合撰写，重点探讨了基于InP（磷化铟）技术的片上系统型光子集成电路(System-on-Chip Photonic Integrated Circuits, PIC)的关键技术进展、历史演化、当前技术状态及未来发展趋势。本文既梳理了这一领域中的技术突破和前沿成果，又展现了光子集成电路在光通信领域的市场价值和技术潜力。

一、背景与研究主题

论文指出，光子集成电路的理念最早由Miller于1969年提出，其灵感源于电子集成电路的发展。然而，由于光学器件和电学器件在材料、尺寸和制造工艺上的显著差异，光子集成电路的商业发展受到多种限制，包括： 1. 光子器件需要更复杂的半导体材料体系（二元、三元、四元化合物），制造难度高； 2. 光学器件的物理尺寸受光波长限制，无法像电子器件那样进行大幅度缩小； 3. 光子集成电路所需的基本构件种类繁多（如激光器、波导、调制器、探测器、多路复用器等），难以统一制造； 4. 光子应用的市场需求和规模化程度不足以提供持续的投资和研发支持。

尽管如此，自20世纪60年代以来，材料科学（如III-V族半导体）以及制造工艺（如外延技术、再生长技术）等方面的进步推动了PIC的发展，尤其是其在光通信领域的应用。如本文所述，光子集成电路目前的主要驱动力来自于光通信技术中的DWDM（密集波分复用）系统的需求。

二、光子集成电路的技术基础

本文详细列举了光子集成电路发展的多个里程碑。以下为部分关键技术突破： - 激光器的发明（1960年）：激光器作为光子集成电路的核心器件，其出现奠定了光通信的基础。 - 半导体激光器的实现（1962年）：III-V族材料中的带隙可调特性使得半导体激光器成为可能。 - 光纤通信的发明（1966年）：低损耗光纤的发明开辟了光通信的应用场景。 - 光子集成电路的概念提出（1969年）：Miller首次提出将激光束电路集成至单一芯片上的设想。

在制造技术方面，文章总结了从晶体生长到器件制作的一系列进展，包括Czochralski法单晶生长、气相外延（VPE）、有机金属气相外延（MOVPE）及选择性区域外延等技术的开发和应用。这些技术的成熟为光子器件材料的高品质制造提供了基础。

三、光子集成电路的构件发展

为了实现光子集成电路的功能，多个“构件模块”逐步被开发出来，包括波导光探测器、分布反馈式激光器（DFB）、量子阱注入激光器、马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）调制器以及定向耦合器与阵列波导光栅（AWG）等。这些构件的多样性与复杂性，正是光子集成电路发展中技术难点的体现。

举例来说，分布反馈式激光器利用周期性折射率结构形成内嵌反射镜，不仅能够进行波长的精确选择，还能实现窄谱激光输出，而这些性能对于长距离光通信至关重要。

四、光子集成电路的历史与现状

文章详细回顾了光子集成电路从研发到商业化的历史进程，包括以下几个关键阶段：

1. 电吸收调制激光器（EML）的商用化（1996年）：这是第一种大规模商业应用的光子集成电路，结合了激光器和电吸收调制器，用于WDM系统以支持长距离传输。

2. 100 Gb/s OOK（开关键控）SOC（片上系统）发射器和接收器的商用部署（2004年）：

   • 该片集成了51个光学功能，包括阵列波导光栅（AWG）复用器和可调激光器。
   • 支持10路10 Gb/s光信号的多路复用，形成100 Gb/s传输能力。

3. 500 Gb/s相干SOC PIC（2012年）：

   • 集成功能大幅提升至包括440个光学功能，如嵌套马赫-曾德尔调制器、光探测器及可变光衰减器。
   • 支持极化复用四相移键控（PM-QPSK）的相干通讯，极大提高了光网络的频谱效率和抗色散能力。

4. 1.2 Tb/s SOC PIC（2016年）：

   • 实现六路独立可调激光器，每路支持33 Gbaud PM 16-QAM调制。
   • 总光传输容量达1.2 Tb/s，展示了PIC在数据容量和波特率上的扩展潜力。

此外，论文还介绍了实验室内实现的更高集成水平的实验，例如2.25 Tb/s和4.9 Tb/s的发射器光子集成电路。

五、光子集成电路的制造可行性与可靠性

作者通过详细的制造数据，证明了当前光子集成电路的生产能力已达到早期硅电子集成电路的制造水平。以下是主要亮点： - 制造良率： 与1990年代中期的硅CMOS生产工艺相当，PIC的良率（每10掩膜）可高达90%以上。 - 随机缺陷率： 在经过多代学习和优化后，InP PIC的随机缺陷密度已经趋于接近硅电子集成电路的水平。 - 现场可靠性： 一代100 Gb/s发射器在超过11年（10万小时）野外部署中，功率和频率指标的变化均在极小范围内，有力验证PIC的可靠性。

六、PIC的未来展望

论文最后展望了光子集成电路未来的发展趋势和挑战： 1. 更高的集成度：未来的PIC将进一步提升光学功能集成水平，达到5000个以上的光学功能，以支持多Tb/s的数据吞吐能力。 2. 更高的波特率：实验已经展示了88 Gbaud 16-QAM调制的成功能力，表明PIC能够满足下一代光通信协议的需求。 3. 先进的封装技术：为了适应更高的速率和模块集成，未来PIC封装预计将采用2.5D甚至3D异构集成技术。

七、总结

本文以全面且深入的视角回顾了光子集成电路的历史、现状与未来。其重要意义在于总结和推广了PIC在光通信领域的应用场景与技术创新，展示了PIC在高集成、高性能、低成本方向上的巨大潜力，是该领域不可多得的学术综述性文献。