光子整合迴路是一種把光子作為資訊載體的全新整合晶片結構，有望突破目前積體電路固有的電子瓶頸限制，實現更大的頻寬和更高的處理速度。

但是，目前缺乏能夠完全製備並整合光源、光波導、光開關、光放大器、調製器與探測器等光電子器件的基礎材料；同時，基於分立元器件的光子整合迴路在損耗、體積、重量及穩定性等方面存在較大的問題。

這些都嚴重製約著光子整合迴路在5G通訊、物聯網、人工智慧、大資料、流媒體等平臺的應用，整個光電子產業的可持續發展面臨著巨大的挑戰。本文將著重對比分析可能成為光子整合迴路基底材料的薄膜鈮酸鋰、磷化銦、二氧化矽、矽、氮化矽等材料在光子整合特性方面的優勢及劣勢，以及國內的發展概況和未來光子整合迴路的可能發展趨勢。

隨著科學與技術的進步，21世紀的人類社會真正進入了高度資訊化和智慧化時代。人們的生活、工作無不與資訊的傳輸、重組、分析、處理、儲存等密切相關。

在3C(Communication通訊、Computerization計算機化和Control控制)技術革命和3A(FA工廠自動化、OA辦公自動化和HA家庭自動化)應用的基礎上，社會運作對資訊量的巨大需求將用3T來表徵:TB/s(太位元/秒)的資訊傳輸速率、TB(1TB=1000GB)位的儲存容量和(1/T)s(皮秒，p= 10-12 ，1ps=(1/T)s)的處理速度[1]。

由於電子技術受到荷電性、頻寬、互擾等固有的物理性質的限制，已很難滿足“3T”的要求。而具有響應速度快、傳輸容量大、儲存密度大、微型化和整合化程度高的光子整合技術無疑是電子技術的發展與突破，成為資訊化和智慧化社會發展的重要基石，具備了巨大的技術應用前景。

光子整合迴路的核心原則是採用類似於積體電路中的光刻途徑，在單一襯底材料上並行製作出具有各種功能的光子結構，並直接形成功能器件。

光子整合迴路的核心單元結構是鐳射器、光波導、調製器、多路複用器、衰減器及探測器，其特徵尺寸在光波長量級，用以實現光波的可控傳輸和精密操控。

目前，光子整合迴路的典型基礎材料有薄膜鈮酸鋰、矽、磷化銦、二氧化矽、氮化矽等，在光子整合特性方面具有各自的優勢及劣勢,如表1所示，但都沒有辦法實現單片光子整合。主要原因[2]包括：1）缺乏能夠同時整合有源器件與無源器件的基材；2）受衍射規律限制，光子整合迴路上的光子器件密度較低；3）不同功能光子器件的材料特性或加工工藝相容性較差。

表 1 . InP、SiO2、矽、氮化矽與薄膜鈮酸鋰在光子整合特性方面的對比

鈮酸鋰晶體

鈮酸鋰晶體具有寬透明視窗、高非線性光學系數、高折射率以及較強的電光、聲光、壓電效應等優良的光學效能，在高速電光調、全息儲存、非線性頻率轉換等方面有著廣泛的應用，是整合光學器件襯底材料的重要候選者。

儘管鈮酸鋰晶體是優良的整合光路器件襯底材料，但是基於化學組分修飾的鈮酸鋰波導芯中的折射率調控太弱，相應的波導彎曲半徑過大，不適用於未來大規模的光子整合應用。而單晶鈮酸鋰薄膜的研製成功，解決了鈮酸鋰光子整合迴路中一直存在的損耗高、彎曲半徑大以及調控效率低等一系列關鍵問題，但也存在鈮酸鋰基光源和探測器缺乏的問題需要解決。

結合飛秒鐳射直寫、化學機械拋光、離子束刻蝕等鈮酸鋰光子結構加工技術，實現了具有超高品質因子的鈮酸鋰微盤腔[3]、超低損耗鈮酸鋰光波導[4]、奈米尺寸高調製效率的電光調製器[5]、高光子對效率的微環鐳射器[6]等核心光子器件的製備。

華東師範大學自主研發的化學機械拋光光刻技術具有加工效率高、可製備樣品尺寸大、器件光損耗低等特性，改善了光子晶片的擴充套件能力，推動了大規模光子整合迴路的應用和發展。圖1為基於鈮酸鋰薄膜的多功能光子器件示意圖。

圖1基於鈮酸鋰薄膜的多功能光子器件(a)薄膜鈮酸鋰微腔；(b)鈮酸鋰薄膜片上微腔鐳射器；(c)大規模的鈮酸鋰薄膜光子器件整合示意圖；(d)鈮酸鋰薄膜光電調製器。

矽基

矽基光電子整合迴路使用與矽基積體電路技術相容的技術和方法，將微奈米級的光子、電子及光電子器件整合在同一矽襯底上，形成大規模矽基光電子晶片[7]。透過不斷提高整合密度來達到顯著降低單元器件成本的目的，這一點與積體電路技術的發展路線圖高度一致。

得益於針對大規模積體電路應用而充分發展並已經非常成熟的半導體光刻技術及其工業化產能，矽基整合光路具有大規模、低成本的工藝優勢，已經可以將傳統組分調控波導的釐米量級轉彎半徑壓縮到僅為數十微米量級，極大地提升了光子晶片的整合密度。

儘管矽基光電子整合迴路實現了高密度整合光路，但也存在一些與矽材料自身特性相關的缺陷。首先，由於矽晶體缺乏電光係數，通常只能透過熱光效應對矽線波導進行調控，能耗較高且響應時間本質上較慢，通常在毫秒量級(相應的調製頻率僅能達到千赫茲)；其次，矽光器件（如矽光波導、光開關）傳輸損耗較大。

隨著光子整合密度的逐漸增加，這兩個缺點將成為阻礙矽基整合光路器件效能持續提升的關鍵因素。圖2為矽基DFB鐳射器示意圖。

圖2 矽基DFB鐳射器示意圖。(a) 鐳射器剖面圖，展示了外延層結構、光波導結構和輸出耦合器；(b) 鐳射器陣列光學顯微鏡照片；(c)側壁布拉格光柵的電子顯微鏡照片，展示了超高寬深比的一階光柵。

二氧化矽

二氧化矽光波導平臺是早期光子整合迴路的發展方向，與單模光纖具有相同的結構設計和材料組分，繼承了光纖所具有的優良特性，可獲得超低的傳輸與耦合損耗。

此外，在二氧化矽基光子整合迴路加工的工藝[8]中，離子束幹法刻蝕可以將波導側壁的粗糙度控制在奈米量級，遠遠小於波導中的傳輸光波長；再加上波導芯和包層之間的折射率差較小，可以有效抑制由表面粗糙度引起的散射損耗。

儘管二氧化矽平面整合光路具有非常低的傳輸與散射損耗，並能與標準光纖實現高效的耦合，但存在兩方面主要缺陷，一方面是二氧化矽的非線性係數和電光係數都較低，調控難度大，可實現的功能器件種類受到制約；另一方面，與體鈮酸鋰波導類似，透過化學組分調控實現的波導芯結構同樣具有折射率變化較小、波導彎曲半徑過大的缺點，也不適用於大規模的光子整合應用。圖3為二氧化矽基波導加工過程示意圖。

圖3 二氧化矽基波導加工過程示意圖[8]

磷化銦

磷化銦是一種Ⅲ-Ⅴ直接帶隙半導體材料，常作為Ⅲ-Ⅴ光電子器件的基底材料，在其上可以外延四元化合物銦鎵砷磷，四元化合物由四種不同材料砷化鎵、磷化鎵、砷化銦、磷化銦按一定比例混合而成。

四元化合物的禁頻寬度與襯底磷化銦間的晶格匹配，加工工藝也可以與現有的CMOS器件工藝相容。故可以在磷化銦基底上製備並整合鐳射器、光波導、光開關、光調製器、探測器[9]。

儘管目前基於磷化銦基的單片光子整合迴路是唯一可實現的單片全光光子整合迴路，但是磷化銦晶圓價格昂貴且有毒性，需要使用複雜的金屬有機化學氣相外延,限制了其進一步大規模發展。圖4為整合磷化銦光晶片示意圖。

圖4 整合磷化銦光晶片[9]

氮化矽

氮化矽作為一種CMOS工藝中常用的絕緣材料和絕熱材料，近年來其優良的光學效能逐漸被發現。

氮化矽材料擁有很低的損耗，以及較強的二階非線性效應（大約為二氧化矽的10倍，鈮酸鋰的三分之一），因此也可以用於光開關與調製器。

同時由於其擴充套件到可見光範圍的透明視窗，以及可調的色散特性，使其在光通訊領域也有重要的應用。其缺點是無法制作鐳射器與探測器，需要與有源器件混合整合才能實現整合的光電子晶片，且不能太厚(<250 nm)。

總體而言，氮化矽仍是一個非常有潛力的材料，目前已有公司能夠提供氮化矽的晶圓。圖5為整合氮化矽光晶片。

圖5 整合氮化矽光晶片[10]

如上所述，薄膜鈮酸鋰、矽、磷化銦、二氧化矽、氮化矽等材料作為典型基礎材料的光子整合迴路技術，比積體電路技術更加複雜，難度更大，含有更多類別的光子和電子器件，在光源、工藝相容、大規模整合等方面依然面臨著諸多短時間內難以克服的挑戰。

故為了滿足不斷提升的應用需求、應對當前資訊產業面臨的重大挑戰，有科學家在考慮把光子器件融入微電子平臺，把電子和光子整合到同一襯底，結合光子和電子兩者的優勢，研製混合或單片光電整合系統，打破傳統微電子技術在功耗及速度等方面的瓶頸。

不管是混合、單片或者其他形式實現的實用化光電整合系統，光子整合迴路必須配置相應的電子整合迴路；光電子技術將與微電子技術相輔相成，直至互相滲入並最終融為一體，形成一個光子和電子融合在一起的光電融合系統[11]。

最近幾年，一批諸如物聯網、大資料、人工智慧、量子資訊這樣的變革性高技術領域快速湧現，對於大規模、大容量整合光路器件的需求越來越迫切，為光子整合迴路技術的發展提供了前所未有的機遇和強勁的推動力。而另一方面，微納加工技術經過了幾十年的厚積薄發，為突破整合光路中長期存在的一些技術瓶頸提供了豐富的手段和幾乎無限可能，推動了整合光路領域的迅猛發展。

參考文獻

1.姚淑娜等, 現代光學及光子技術的應用，北京聯合大學學報, 21(2): 27, 2007.

2.Kaminow I P. Optical Integrated Circuits: A Personal Perspective[J], Journal of Lightwave Technology, 26(9-12): 994, 2008.

3.Qi Y F et al., Integrated lithium niobate photonics, Nanophotonics, 9(6): 1287-1320. 2020.

4.Wu R B et al., Fabrication of a multifunctional photonic integrated chip on lithium niobate on insulator using femtose