InP的光子集成的过去、现在和未来

摘要

光子集成电路的应用市场正在迅速增长。光子集成是高带宽通信的主导技术，并将在光子学的许多领域占据主导地位，就像电子领域的微电子技术一样。pic在精度、带宽和能效方面提供了引人注目的性能提升。为了能够在新的领域获得应用，高度标准化(通用)光子集成平台技术的可用性至关重要，因为这将设计与技术分开，减少了新进入者的障碍。目前主要的平台技术是磷化铟单片集成和硅光子学。

在光子和电子之间综合

基于晶片的电子和光子技术的生产既有相似之处，也有不同之处。。光子和微电子集成的发展大体上遵循相同的路径，光子学的延迟为25至30年，微电子集成的起点是晶体管的发明(Bardeen等人。

电子和光子在微集成的早期，当电路复杂性还相对较小时，设计和技术发展紧密相连，芯片设计是特定于技术的。随着电路复杂性的增加，设计和技术之间的紧密联系变得越来越困难和低效。因此，半导体集成技术发展的一个重要步骤是引入通用集成工艺。

虽然微电子和光子集成有很多相似之处，但也有不同之处。光子构建模块比电子构建模块更大，有源构建模块(如光放大器和调制器)的工作功率比晶体管高得多。然而，在元件层面，电子放大器目前的工作功率是其所连接的光子器件的三到四倍。如果只考虑波导区域和晶体管电路，有源元件本身的覆盖区是可比的。

通用磷化铟集成技术

电子电路由一组非常小的基本构件组成:晶体管、电容和电阻(有一些变化)以及电互连线。在支持这些基本构造块集成的通用集成技术中，即使是最大的处理器和存储器也可以通过从设计库中插入基本构造块和更复杂的构造块组合(也称为IP块)来布局。标准化、校准和精确描述的构建模块的使用加速了设计，并在芯片设计最终投入生产之前实现了越来越精确的电路级性能优化。在光子学中，我们采用同样的方法。光有振幅、相位和偏振。这些特性可以分别用光放大器、相位调制器和偏振转换器来控制。

图1

光子学的晶片级集成和电子

随着InP集成光子电路的复杂性、元件密度和电路性能的增加，光子和电子元件之间的布线密度和热负载成为设计限制。对于宽的可调谐激光器，半导体激光器通常为200米或更长，但是在集成电路中，这些可以减少到100米的数量级， 消除非功能区域对于增加中的功能很有吸引力。

图1 IMOS的单载流子光电二极管。(a)横截面，(b)已实现器件的扫描电镜照片，以及(c)测量的频率响应

硅基纳米光子学

纳米光子IMOS技术节点实现了更高密度的光子集成。这是通过使用薄的基于InP的膜来实现的，其中可以实现主动和被动功能.。利用该膜获得的高指数对比度允许器件横截面减小一个数量级，并且对于许多结构，例如弯曲、反射器和分裂器，这实现了显著的面积减小。

观点

虽然光子集成有着悠久的历史，它比微电子技术落后了近30年，但越来越多的证据表明，这项技术将在未来几年遵循同样的轨迹。随着最近通用铸造技术的建立和多项目晶圆服务的实现，与微电子技术的比较既及时又有指导意义。通用方法在主要平台上的应用使得设计创新和技术开发得以分离，从而能够更广泛地吸收电路创新中的技术和多样性。持续的性能压力推动了新技术节点的发展，以实现更高的速度、精度和能效。采用晶圆级技术生产的电路将受益于大规模制造方法。我们强调有前途的新技术节点，以引入电子集成，过渡到集成纳米光子学以实现高密度和更丰富的功能，以及波导集成纳米激光器的路线图。