光子集成技術(shù)——王明華教授

　　光集成技術(shù)是未來光器件的主流發(fā)展方向，近年來一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。當(dāng)前，各種新的光集成技術(shù)層出不窮，各有所長，大有百花齊放的勢頭，但在未來的發(fā)展中，究竟何種技術(shù)會(huì)成為真正的熱點(diǎn)、將獨(dú)占鰲頭主導(dǎo)光子集成領(lǐng)域?國內(nèi)光集成研究現(xiàn)狀又究竟如何?帶著這些疑問，我們特地采訪了國內(nèi)光集成研究領(lǐng)域的著名專家——浙江大學(xué)信息學(xué)院微電子與光電子學(xué)研究所博士生導(dǎo)師王明華教授，希望能對(duì)這個(gè)幾乎神秘的高新技術(shù)領(lǐng)域窺視一二。

　　我們?nèi)粘Ａ私獾墓饧杉夹g(shù)無外乎PLC、大規(guī)模光子集成電路(代表公司Infinera)、硅光子集成、InP單片集成等技術(shù)，但這些對(duì)于大多數(shù)讀者(尤其是業(yè)外人士)來說都是既籠統(tǒng)又模糊的名詞。王明華教授根據(jù)所使用的材料將光集成技術(shù)進(jìn)行了簡單明了的歸類，包括基于化合物半導(dǎo)體的光集成技術(shù)，基于鈮酸鋰(linbo3)電解質(zhì)材料的光集成技術(shù)，基于SiO2絕緣體技術(shù)的PLC技術(shù)，硅基集成光學(xué)技術(shù)，基于聚合物材料的技術(shù)，以及基于光學(xué)玻璃的光集成技術(shù)，共計(jì)六大類，下面是王教授對(duì)這幾類技術(shù)的簡要說明：

　　(一)基于化合物半導(dǎo)體的光集成技術(shù)，如GaAs、InP技術(shù)。這類技術(shù)適合制造高速調(diào)制器、光開關(guān)，速度很快，但造價(jià)較高。此外，化合半導(dǎo)體也是制造各種光器件的基本材料，隨著薄膜生長技術(shù)的飛快發(fā)展，將光子器件與光波導(dǎo)器件及高速電子器件單片式集成在一起己成為可能;

　　(二)基于鈮酸鋰材料的光集成技術(shù)，這類材料特別適合研制高速光調(diào)制器、光開關(guān)等，技術(shù)成熟，且市場份額較大;

　　(三)基于SiO2絕緣體技術(shù)的PLC技術(shù)，包括采用石英襯底和硅來制作波分復(fù)用器、光分路器、熱光器件等多種較大規(guī)模的集成化光波導(dǎo)器件。這種技術(shù)主要采用PECVD和干法刻蝕及髙溫退火工藝，該種技術(shù)目前己相當(dāng)成熟，國內(nèi)也己開展這方面的基礎(chǔ)研究及器件研發(fā)，例如武漢光迅公司就進(jìn)口了PECVD設(shè)備，用來制作AWG和光分路器;

　　(四)硅基集成光波導(dǎo)技術(shù)，也就是SOI材料，SOI材料是新型硅基集成電路材料的簡稱，又稱絕緣硅。這種技術(shù)采用的結(jié)構(gòu)與電子學(xué)的集成電路類似，只是在硅晶體層的厚度上有所區(qū)別。作為國家973計(jì)劃硅基發(fā)光及光子器件研究的子課題，已經(jīng)啟動(dòng)了基于SOI材料的微、納集成光波導(dǎo)及器件的研究項(xiàng)目。

　　國外在硅基光子集成方面的研究進(jìn)展迅速，如去年IBM就宣布開發(fā)出10G 納米光波導(dǎo)的MZ電光調(diào)制器，一直在硅光子領(lǐng)域頗有造詣的Intel也發(fā)布了30Gbps硅光調(diào)制器技術(shù)。國際上每年都召開專門的硅基集成光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議進(jìn)行專題研討和交流。

　　目前，我們國家在硅基光子集成領(lǐng)域的研究進(jìn)度尚落后于發(fā)達(dá)國家，其主要困難在于缺乏先進(jìn)的微細(xì)加工設(shè)備，無法制造出高質(zhì)量的光波導(dǎo)，而並非缺乏新的研究思路。例如中科院半導(dǎo)體所，充分利用已有的設(shè)備條件在硅基集成光學(xué)研究方面就取得了很好的成績;

　　(五)基于聚合物材料的光集成技術(shù)。高質(zhì)量厚膜SiO2波導(dǎo)材料的生長比較困難，所需要的設(shè)備復(fù)雜，一次性資金投入較大，產(chǎn)業(yè)化風(fēng)險(xiǎn)也較高。然而，聚合物材料所具備的某些優(yōu)良特性能使Polymer光波導(dǎo)及集成光學(xué)器件具有工藝簡單、折射率調(diào)整容易、透明性好以及偏振不靈敏等優(yōu)點(diǎn)，因此，其在光集成及光子器件領(lǐng)域同樣占有一席之地且有著很好的發(fā)展前景。目前在日本、美國、韓國等一些發(fā)達(dá)國家都在積極開展聚合物集成光器件的研究工作，并已取得許多重要進(jìn)展，一些主要性能指標(biāo)正逐漸達(dá)到無機(jī)AWG的水平，聚合物集成光功分器在日本甚至已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。但是，因?yàn)榫酆衔锲骷鸩捷^晚，目前尚沒有完全達(dá)到系統(tǒng)化、商業(yè)化、實(shí)用化的程度。聚合物材料也同樣適合做高速調(diào)制器、光開關(guān)，但是存在穩(wěn)定性差，壽命低的缺點(diǎn)，而且髙水準(zhǔn)、髙質(zhì)量的聚合物材料還比較貴。國內(nèi)在這方面研究不足，特別是對(duì)多種聚合物材料的研發(fā)與發(fā)達(dá)國家相比差距還比較大。

　　(六)基于光學(xué)玻璃的光集成技術(shù)。這類材料集成光波導(dǎo)器件的優(yōu)點(diǎn)是成本低，工藝簡單，可靠性高，傳輸損耗小，且與光纖對(duì)接匹配度高。這種技術(shù)不僅可以用于制造光分路器，還可以應(yīng)用到其他領(lǐng)域。王明華教授的課題組正在利用這種技術(shù)進(jìn)行集成光功分器的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)，并同時(shí)開展傳感器及微光學(xué)器件的研發(fā)。

　　“綜合來說，這些技術(shù)每一個(gè)都有每一個(gè)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，都有各自不同的應(yīng)用市場，比方說基于玻璃和聚合物的光集成技術(shù)可制作低成本光器件，化合物半導(dǎo)體和鈮酸鋰材料可以制作高速調(diào)制器、光開關(guān)。”王明華教授表示，“而硅基的光子集成技術(shù)，我認(rèn)為這是未來發(fā)展的方向。目前來看，光與電要有機(jī)結(jié)合起來必須依靠這種技術(shù)。我們目前所見到的微電子技術(shù)和光電子技術(shù)有所不同，比方說雙方的器件結(jié)構(gòu)和工藝不一樣，微電子是硅基平面工藝，光電子器件，無論是發(fā)光器件還是光波導(dǎo)器件，是一種立體結(jié)構(gòu)，因而工藝是立體工藝，目前使用的材料也不一樣，發(fā)光和探測工作機(jī)理也不一樣。只有用硅材料才能將各種光器件與集成光學(xué)器件乃至將微電子和光電子統(tǒng)一起來。不過這條路還很漫長，需要解決很多技術(shù)難關(guān)，但這并無妨礙它成為未來主導(dǎo)技術(shù)。”

　　“不過不同的技術(shù)，不同的材料都有各自不同的應(yīng)用，未來的世界仍將是百花齊放的。”王明華教授補(bǔ)充道。

　　國內(nèi)PLC研究尚處于起步階段 產(chǎn)業(yè)化是瓶頸

　　在談到國內(nèi)PLC研究現(xiàn)狀時(shí)，王明華教授表示國內(nèi)這方面的研究實(shí)質(zhì)尚處于相對(duì)落后的狀態(tài)，盡管囯內(nèi)學(xué)者早已知曉PLC技術(shù)的重要性。目前國內(nèi)正在制作的PLC器件主要是光分路器和AWG，但是，到目前為止，國內(nèi)企業(yè)都是進(jìn)口芯片進(jìn)行封裝，例如深圳富創(chuàng)、上海博創(chuàng)、武漢光迅等，其進(jìn)口的芯片大都來自韓國和日本、美國等國。在研發(fā)方面，武漢光迅進(jìn)展較好，進(jìn)口了PEVCD等關(guān)鍵設(shè)備，成功制作了AWG和光功分器，其中AWG因?yàn)楫a(chǎn)值高，有利于成本回收，是光迅的主要目標(biāo)。

　　實(shí)際上，在光波導(dǎo)研究方面國內(nèi)已有近30年的歷史，中科院半導(dǎo)體所和信息產(chǎn)業(yè)部13所，長春光機(jī)、物理所、上海交大、清華大學(xué)、北京理工、西光所及上光所等都進(jìn)行了大量卓有成效的研究。浙大也從1980年前后開始光波導(dǎo)與集成光學(xué)器件研究，先后承擔(dān)了十余項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，早期的有863項(xiàng)目及浙江省科技廳重大項(xiàng)目，近期正在執(zhí)行國家自然科學(xué)基金的重點(diǎn)項(xiàng)目，開展化合物半導(dǎo)體材料髙速光開關(guān)研究。王明華教授的課題組近年來與南方通信集團(tuán)合作研發(fā)的基于離子交換光波導(dǎo)的分路器已接近實(shí)用化。“目前關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)突破，但是產(chǎn)業(yè)化技術(shù)還不過關(guān)。”王明華教授說。“目前國外在研究生產(chǎn)玻璃波導(dǎo)方面已經(jīng)非常成熟了，法國的Teem以及以色列的Colorchip在這方面做得最好，并且已經(jīng)推出了商用化產(chǎn)品。

　　王教授還指出;“任何一種技術(shù)都有它的優(yōu)缺點(diǎn)，更何況五花八門的集成光學(xué)技術(shù)。玻璃基集成光波導(dǎo)器件比較適合國內(nèi)企業(yè)與學(xué)校合作進(jìn)行聯(lián)合研發(fā)。我們希望通過跟企業(yè)合作來為國內(nèi)企業(yè)提供波導(dǎo)芯片。目前國內(nèi)還沒有廠商能做光分路器芯片，我們是很看好這種技術(shù)的。”