光子學(xué)中的摩爾定律
1. 光子芯片發(fā)展的復(fù)雜度
微電子學(xué)中著名的摩爾定律認為在單片芯片上集成的晶體管數(shù)量以指數(shù)規(guī)律發(fā)展，也就是說在過去的四十年中以每兩年翻一番的速度進行增長。在光子學(xué)中我們也觀察到了相似的情況，包括早期階段。圖1和表1顯示了基于InP的光子芯片(PICs)發(fā)展的復(fù)雜度。
圖1 光子芯片復(fù)雜度的發(fā)展
表1 光子芯片復(fù)雜度的發(fā)展
早期復(fù)雜的基于InP的PICs包括1989年由Koren等制作的WDM源，1991年由Cremer等制作的光柵接收機，1992年由Gustavsson等制作的開關(guān)陣列，1994年由Kaiser等制作的外差接收機。目前為止報道的最復(fù)雜的是基于陣列波導(dǎo)光柵(AWG)的PICs。1988年Smit制作出第一片AWG，隨后復(fù)雜度不斷提高，WDM接收機在1993～1996年間的實現(xiàn)5～10個元件的集成，WDM激光器在1994～1996年間實現(xiàn)10～20個元件的集成，WDM通道選擇器在1994～2001年間實現(xiàn)10～20個元件的集成。
新世紀以來復(fù)雜性方面明顯增加：WDM接收機和發(fā)射機芯片在2003～2005年間集成了44～51個元件。特別是在2006年，Infiner突然報道實現(xiàn)了集成241個元件的40通道WDM發(fā)射機。最近的器件包括2009年Nicholes報道的集成超過175個元件的全光可調(diào)諧8×8波長路由器，2010年Soares報道的集成超過300個元件的100通道任意波形發(fā)生器。最近Infiner報道了迄今最復(fù)雜的PIC，即集成超過400個元件的偏振復(fù)用正交差分相移鍵控(PM-DQPSK)發(fā)射機。
圖1顯示出光子芯片復(fù)雜度的增長大致呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律，但是比微電子具有更多的離散點。如果僅僅看基于AWGs的器件，大部分奇異點將消失，從而呈現(xiàn)明顯的光子學(xué)摩爾定律。
2. 光子學(xué)和微電子學(xué)的差異
但是，光子學(xué)和微電子學(xué)中的摩爾定律存在重大的差異。微電子學(xué)中用于復(fù)雜度計算的器件是商業(yè)應(yīng)用ICs，但是光子學(xué)中的器件卻僅存在于文獻中，而沒有實際的市場應(yīng)用。那么為什么文獻中報道的高級PICs在歐洲、美國、遠東地區(qū)已經(jīng)具有了二十年的技術(shù)積累，還是沒有進入市場呢？該問題和目前的項目資助模式有關(guān)：技術(shù)發(fā)展和其應(yīng)用緊密相關(guān)，在沒有顯著或者重要的應(yīng)用時就不會獲得資助。另外由于各實驗室制作光子芯片都是按照自己的技術(shù)進行，成本相對較高，還達不到廣泛推廣應(yīng)用的要求。這和微電子學(xué)中雖然市場廣大但是技術(shù)體系單一的狀況有很大不同。因此光子芯片發(fā)展問題的解決方案就是：應(yīng)用微電子學(xué)改變世界的方法到光子學(xué)集成中。具體說需要分兩步實現(xiàn)：
第一步，開發(fā)幾個能夠?qū)崿F(xiàn)廣大功能的通用集成技術(shù)；
第二步，開發(fā)一些能夠開放式獲取這些技術(shù)的基礎(chǔ)性架構(gòu)。
3. 通用的光子集成技術(shù)
微電子學(xué)中的復(fù)雜功能都是通過以不同的數(shù)量和結(jié)構(gòu)來組裝像晶體管、二極管、電阻、電容、連接器等一系列相當(dāng)小的標(biāo)準(zhǔn)部件實現(xiàn)的。復(fù)雜度從幾百個到幾十億個部件的都有。
光子學(xué)中我們可以采取類似的方式?？v觀光子回路的功能，可以看出它們一般由以下一些元件組成：激光器、光放大器、調(diào)制器、探測器、耦合器、濾波器、復(fù)用/分離器等。通過合適的設(shè)計這些元件，也可以將其最小化到一系列基本的標(biāo)準(zhǔn)部件。
作為基本的標(biāo)準(zhǔn)部件我們需要一些被動器件實現(xiàn)光的合成和分束，這樣的器件分為波長相關(guān)和波長無關(guān)兩類，前者包括濾波器、波分復(fù)用器等，后者包括功分器、耦合器和合束器等。大部分這樣的器件可以通過組合不同寬度和長度的被動波導(dǎo)來構(gòu)成，因此只要集成步驟合適，就可以通過集成被動波導(dǎo)來構(gòu)造被動器件，比如多模干涉(MMI)耦合器和AWG。另外這些被動器件作為基本的標(biāo)準(zhǔn)部件如果要實現(xiàn)更復(fù)雜的功能還應(yīng)該能對光信號的相位、幅度和偏振態(tài)進行控制。
圖2顯示了利用通用的InP技術(shù)可以實現(xiàn)的功能，包括被動波導(dǎo)器件、相位調(diào)制器、半導(dǎo)體光放大器、偏振轉(zhuǎn)化器等四種基本的標(biāo)準(zhǔn)部件。圖3顯示了一個具有納秒量級開關(guān)速度的集成離散可調(diào)諧激光器。
圖2 利用通用的InP技術(shù)可以實現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)部件
圖3 基于AWG的快速調(diào)諧激光器的環(huán)路方案和顯微照片
通用集成技術(shù)的一個優(yōu)勢是：由于具有廣大的市場，因此為了在基本標(biāo)準(zhǔn)部件級獲取非常高的性能而對這種技術(shù)研發(fā)進行投資將會是正確的。這也將使得以這樣的技術(shù)實現(xiàn)的光子環(huán)路具有很強的競爭力。當(dāng)然單個集成技術(shù)的高性能不會對每一種應(yīng)用都適用，就像微電子學(xué)中針對高壓、高速、高能或者低能等不同的應(yīng)用類型需要不同的技術(shù)。光子學(xué)中也需要針對不同類型的應(yīng)用優(yōu)化出幾種不同的集成技術(shù)，從而涵蓋絕大部分的應(yīng)用領(lǐng)域。但是需要的集成技術(shù)數(shù)量將會遠遠小于當(dāng)前所擁有的數(shù)量。
4. 通用的光子學(xué)加工模式
一旦成熟的通用光子學(xué)集成技術(shù)開發(fā)出來之后，就需要一個面向大量用戶的低準(zhǔn)入門檻。在微電子學(xué)軟件中，美國的MOSIS和歐洲的EUROPRACTICE提供了低成本的商業(yè)加工，包括文檔、訓(xùn)練以及設(shè)計軟件。
定制的加工模式
在定制的加工模式中，很多工廠都是租用別人的生產(chǎn)線，同時工廠的生產(chǎn)都是針對特定的消費者及他們特殊的需求。由于這種模式中所有的發(fā)展費用都需要消費者來支付，所以實際上是屬于消費者的。該模式也使得行業(yè)的進入門檻變低，因為可以不用修建自己的超凈間，可以通過租用來實施生產(chǎn)。該模式仍然是針對一些特殊應(yīng)用，因此成本得不到分攤，仍然較微電子行業(yè)中的通用技術(shù)高出很多。
ePIXnet
光子學(xué)中還不存在由通用集成技術(shù)提供的通用加工模式，其中FP6網(wǎng)絡(luò)ePIXnet已經(jīng)走出了第一步。該網(wǎng)絡(luò)始建于2004年9月，將獨立的研究擴展到可以分享昂貴的基礎(chǔ)性技術(shù)設(shè)施的集成研究。該模式可以激發(fā)超凈間的擁有者將其設(shè)備向廣大的無設(shè)備者開放。這樣可以由更多的使用者來分擔(dān)成本，從而邁出了向集成技術(shù)平臺發(fā)展的第一步。
集成技術(shù)平臺
現(xiàn)在已經(jīng)確定兩種主要的集成技術(shù)平臺：一是JePPIX，用于基于InP的集成技術(shù)，該技術(shù)可以提供包括復(fù)雜激光器和放大器在內(nèi)的很多集成功能；二是ePIXfab，用于Si光子學(xué)的集成，該技術(shù)與CMOS技術(shù)兼容，因此其潛在性能較好而且成本較低。第三種平臺TriPleX也處于確定之中，它主要用于介質(zhì)波導(dǎo)技術(shù)，可以提供低損耗和高質(zhì)量的被動器件，也可以提供從可見光到紅外整個波段的熱光器件。
多項目晶片
三個平臺都可以通過多項目晶片(MPWs)的方式應(yīng)用到相應(yīng)的技術(shù)中。MPWs將來自不同用戶的測試版本集成到一個單一的晶片上，從而大大減少了芯片設(shè)計和研發(fā)的成本。
通用加工模式
通用加工模式中應(yīng)該考慮如下一些活動：
1) 通過完全的或者多項目晶片構(gòu)建成熟的或歸檔的商用加工程序。
2) 開發(fā)專用設(shè)計軟件和元器件庫，以便可以快速和精確設(shè)計。
3) 中介服務(wù)：輔導(dǎo)和培訓(xùn)對技術(shù)不熟悉的使用者。
4) 創(chuàng)建能夠幫助不知道如何設(shè)計芯片的用戶進行設(shè)計的工作室。
5) 使用通用的測試設(shè)備。
6) 使用通用的封裝設(shè)備。
這些活動在ePIXnet集成技術(shù)平臺上已經(jīng)進入了研究級的水平，可以考慮引入微電子領(lǐng)域的特殊集成芯片應(yīng)用(ASICs)到光子學(xué)中，從而達到產(chǎn)業(yè)級的應(yīng)用，該方式可以稱為特殊光子學(xué)集成芯片應(yīng)用(ASPICs)。
5. 通用光子學(xué)集成技術(shù)的前景
節(jié)約設(shè)計研發(fā)的時間和成本
通過使用歸檔的高性能加工過程可以大大減少過程開發(fā)的高成本；通過將幾個使用者的設(shè)計集成到一個單一的MPW上可以大大減少設(shè)計開發(fā)的成本；通過精確設(shè)計軟件的使用可以大大減少設(shè)計研發(fā)周期；通過ASPICs過程的嚴格控制可以增加器件加工以及封裝過程的可靠性，從而增加合格率減少返修率，也就大大減少了測試和質(zhì)量維護的時間和成本?？偟膩碚f相對于傳統(tǒng)的加工模式，通用加工模式在中小體積PIC的成本方面將會減少10倍以上。
性能
即使通用過程并不是對每一種應(yīng)用都有效，但是對大部分的應(yīng)用來說還是具有競爭力的。比如EuroPIC開發(fā)的加工過程和PARADIGM過程就是基于已經(jīng)存在的集成平臺技術(shù)，可以生產(chǎn)高性能的調(diào)諧激光器和高速接收機。表2給出了PARADIGM項目在2014成功完成后各功能模塊預(yù)期可以達到的性能指標(biāo)?？梢钥闯鏊鼈?nèi)匀槐３至藛蝹€器件的水平。如果幾個通用技術(shù)可以得到持續(xù)的投資相信這些性能將會穩(wěn)定增長甚至在某些特定應(yīng)用中比特殊技術(shù)更好。
表2 InP通用加工過程中功能模塊預(yù)期可以達到的性能指標(biāo)
市場開發(fā)
迄今為止，PICs主要應(yīng)用于通信中的一些利基領(lǐng)域，這些領(lǐng)域往往具有普通技術(shù)無法滿足的性能需求。一旦通用技術(shù)使得PICs的成本下降之后，它們在通信接入網(wǎng)等領(lǐng)域也將具有廣泛的市場。
同時隨著設(shè)計研發(fā)和加工成本的降低，PICs在其他領(lǐng)域也將具有廣泛的應(yīng)用。比如光纖傳感市場，PICs可以代替大量已經(jīng)存在的光源、探測器、信號出來回路等模塊。還有光學(xué)相干層析技術(shù)(OCT)，傳統(tǒng)OCT主要使用800nm窗口用于視網(wǎng)膜診斷，但是對于皮膚和血管診斷來說1500nm波長將是更好的選擇，這提供了很好的InP PICs應(yīng)用于OCT設(shè)備的機會。另外還有一類器件應(yīng)用就是皮秒和飛秒脈沖激光器，PICs可以集成包含任意脈沖整形器的鎖模激光器，可以產(chǎn)生廣泛的不同應(yīng)用，比如高速脈沖產(chǎn)生器、時間恢復(fù)回路、超快AD轉(zhuǎn)換器和多光子顯微鏡等。
以上只是列出了PICs應(yīng)用中一些例子，一旦ASPICs變得便宜之后它們將會給各類公司提高競爭力提供廣泛的機會。
復(fù)雜度的發(fā)展
我們期望在接下來的幾年中低成本的商用PICs加工技術(shù)能得到應(yīng)用，從而使得PICs的市場份額快速增加。但是也不希望芯片復(fù)雜度隨之大大增加。首先被動器件中不可避免的損耗將會限制可以級聯(lián)的元件數(shù)量，主動器件中由于熱沉散熱量的限制也使得其集成數(shù)量最多也就幾百個。其次由于基本的功能模塊和處理回路仍然以模擬方式運轉(zhuǎn)，因此信號在大量元件中傳輸必然會導(dǎo)致噪聲累積導(dǎo)致信號失真從而需要進行信號再生，集成信號再生器將會消耗空間和功率。因此我們預(yù)期芯片的飽和復(fù)雜度維持在單芯片1000個元件左右，如圖4的“Generic InP”曲線所示。當(dāng)然這并不意味這光子學(xué)芯片的復(fù)雜度將終止于該水平。
圖4 光子集成芯片(PICs)復(fù)雜度發(fā)展的理想曲線
6. 下一代通用集成技術(shù)
薄膜技術(shù)可以通過高的垂直折射率差將光限制在薄膜層內(nèi)，因此由它構(gòu)成的器件尺寸將會更小，很多情況下，尺寸越小意味著速度越快功率消耗越低，因此薄膜技術(shù)最有望成為下一代通用集成技術(shù)。最近幾年硅薄膜技術(shù)在性能和成熟度上已經(jīng)取得了較大的進展。最近的研究展示了SiGe技術(shù)在制作高速調(diào)制器和探測器方面的可行性。硅基PICs的主要問題仍然是光的產(chǎn)生和放大。在硅光子學(xué)中獲得單片集成光源方面已經(jīng)提出了一些有趣的想法，包括使用多孔硅，硅納米晶體，摻鉺硅和GeSn。最近MIT展示了在硅中高N摻雜Ge的材料中可以獲得增益。但是迄今為止這種方式制作的激光器的性能遠遠趕不上基于GaAs和InP的帶隙性半導(dǎo)體激光器。因此硅薄膜集成平臺致力于使用Ⅲ-Ⅴ激光器。圖5演示了4種不同的組合方式。
圖5 在硅光子集成芯片中產(chǎn)生光的四種方式
圖5(a)是MIT采取的一種方式，光通過外部光源耦合到硅薄膜中，該方式在片上互聯(lián)網(wǎng)中具有最短的路徑，但是其擴展性較差，而且沒有集成光源其復(fù)雜度也受到了限制，迄今為止該方式報道的最高復(fù)雜度是每片86個元件。
圖5(b)是IMEC，LETI和COBRA采用的方式，將激光器和探測器制作在沉積于硅薄膜頂上的Ⅲ-Ⅴ中，然后光通過一個薄的低折射率層傳入硅層中。該方式中很難得到有效的光耦合。
圖5(c)是UCSB和Intel采用的稍微不同的方式，將有源Ⅲ-Ⅴ層直接沉積到硅薄膜中，通過原子結(jié)合可以使該硅波導(dǎo)具有增益。該方式中光從有源層到被動層的耦合仍然很難，因為所需要的高限制和高耦合效率是一對矛盾。
圖5(d)是我們采用的方式，將硅薄膜換成了InP薄膜(IMOS)，通過亞微米尺度的選擇性再生技術(shù)在薄膜中進行優(yōu)先結(jié)合構(gòu)造局部的有源區(qū)。該方式在一個薄膜中實現(xiàn)了主動和被動功能，它們之間的耦合也不再是問題。另外該方式中關(guān)于基底的校準(zhǔn)問題也得到緩和。同時由于使用了較厚的聚合層來結(jié)合InP薄膜和基底，因此實現(xiàn)時是獨立于表面形態(tài)的。這對于將來將IMOS光子集成回路和CMOS電路進行結(jié)合將是很重要的。
InP薄膜的光學(xué)性能和硅薄膜的性能非常相似。我們已經(jīng)利用IMOS技術(shù)制作很多高質(zhì)量的被動器件，如圖6所示：損耗7dB/cm的光子線，5μm彎曲半徑損耗可忽略的曲線波導(dǎo)，損耗僅0.6dB的MMI耦合器，Q因子大于15000的環(huán)形濾波器，長度4μm包含整個L/C/S波段的偏振轉(zhuǎn)換器。
圖6 被動IMOS器件
但是為了獲得可用于光子學(xué)集成平臺的完整的器件系列，還需要利用該技術(shù)開發(fā)更多的器件。最重要的是激光器和放大器等主動器件。圖7顯示了一個盤狀的有源區(qū)，半徑為250nm，包含4個設(shè)計激發(fā)波長為1.55μm的量子阱，該有源區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)了光發(fā)射。為了獲得半導(dǎo)體激光器的全部優(yōu)勢，還需要電子注入，該方式正在研究中。
圖7 再生之前的亞微米有源區(qū)
IMOS技術(shù)結(jié)合了經(jīng)典的InP光子學(xué)和經(jīng)典的硅光子學(xué)，最終它將在不需要高功率的領(lǐng)域廣泛的代替InP光子器件。同時由于在光產(chǎn)生和放大方面硅光子器件無能為力，因此IMOS也將占據(jù)這些領(lǐng)域。
由于薄膜器件更小的尺寸和功率消耗，我們預(yù)期能夠有效集成光源和放大器的薄膜技術(shù)所允許的芯片集成復(fù)雜度將比經(jīng)典InP技術(shù)高一個數(shù)量級，如圖4中曲線所示。
7. 集成技術(shù)的最終形式
當(dāng)光子集成達到了大規(guī)模集成(LSI，>10000)或者超大規(guī)模集成(VLSI，>1000000)水平，必然出現(xiàn)由模擬信號處理向數(shù)字信號處理的轉(zhuǎn)變。
一個全光數(shù)字信息處理系統(tǒng)包含：具備完整布爾運算體系并可以級聯(lián)用于任何數(shù)字運算的器件和器件系列。這些器件必需具備微型尺寸，能夠被密集集成，能夠用集成回路技術(shù)進行互連(也意味必需具備低功率需求)，必需能夠以相對于電子學(xué)更高的速度運轉(zhuǎn)。雖然過去40年里大家都致力于制作符合上述要求的器件，但是由于缺乏快的、堅固的、低功率光學(xué)非線性的材料，因此并沒有實現(xiàn)高速、復(fù)雜、集成的數(shù)字光學(xué)處理器。
激光器具有適合數(shù)字運算的非線性光學(xué)特性，而且也可以作為光學(xué)信號的光源。微納激光器還具有小尺寸、低功率。因此能夠在一塊芯片上集成較多的數(shù)量并具有高速運轉(zhuǎn)的潛能，也能夠相互耦合實現(xiàn)數(shù)字功能。
小型化是低功率激光器實現(xiàn)高速數(shù)字運算的關(guān)鍵問題。由于衍射的限制，絕緣介質(zhì)腔到達最小光學(xué)模式尺寸時整個激光器仍然具有幾個波長的尺寸。為了進一步減小器件尺寸，可以使用金屬制作激光諧振腔，該方式可以使器件尺寸在2個或者3個維度上小于一個波長。金屬激光器在低功率下可以具有THz的調(diào)制或者弛豫振蕩頻率。該特性使得數(shù)字光子器件在高性能應(yīng)用中可以媲美于電子器件。
過去很長時間內(nèi)認為金屬納米腔的損耗很大，但是近期實驗證明金屬制作的納米激光諧振腔不僅可以使得激光器的整個尺寸小于一個波長，而且光學(xué)模式尺寸也會被減小到衍射極限以下。
圖8顯示了我們的特殊結(jié)構(gòu)，在一個薄的絕緣體中刻蝕一對具有非同性結(jié)構(gòu)的柱子，然后再用一厚的惰性金屬層將整個結(jié)構(gòu)包起來。柱子的直徑大約260nm，包含一高度為300nm的InGaAs有源區(qū)。柱子中的InGaAs非同性結(jié)構(gòu)和金屬構(gòu)成諧振腔，在低溫下該諧振腔實現(xiàn)了1400nm的激光激發(fā)，閾值電流在77K時是6μA。
圖8 金屬納米激光器
圖9 通過封裝非同性結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的MIM波導(dǎo)
上述非同性結(jié)構(gòu)方式中通過改變柱子形狀可以制作波導(dǎo)，比如在一片長的薄正方形柱子中刻蝕相同的結(jié)構(gòu)。將整個柱子用金屬包起來之后形成了所謂的金屬-絕緣體-金屬(MIM)波導(dǎo)。MIM波導(dǎo)是少數(shù)幾種真正允許光的亞波長限制和傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)之一，光可以在任意的薄絕緣體區(qū)域傳輸，如圖9所示。
使用MIM波導(dǎo)可以有效的將激光耦合到傳統(tǒng)介質(zhì)波導(dǎo)或者其他被動或主動性帶隙等離子模式波導(dǎo)中。理論顯示通過傳統(tǒng)的集成光學(xué)可以將MIM波導(dǎo)制成很多普通的波導(dǎo)器件，比如分束器、光柵等。另外MIM波導(dǎo)不僅可以將光限制在亞波長范圍內(nèi)傳輸，而且具有非常緊湊的封裝密度。
理論上，使用MIM波導(dǎo)可以構(gòu)造小尺寸、高質(zhì)量模式重疊、低質(zhì)量因子的激光器，使激發(fā)激光的調(diào)制帶寬在THz量級，抽運功率幾十毫瓦。如此小體積、高速和低功率的激光器將構(gòu)成集成數(shù)字光子學(xué)處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。原則上在單片芯片上集成超過100000個這樣的激光器是可行的，這將把我們帶入到光子學(xué)的VLSI時代。另外等離子的納米激光器也有望用于推進激光器尺寸的小型化。
8. 結(jié) 論
本文討論了由于微電子和光子學(xué)集成技術(shù)的巨大差別而使得摩爾定律不能應(yīng)用到光子學(xué)中的觀點。對于今天的光子集成技術(shù)來說該觀點確實是對的。但是正是由于不同的最大原因是由于光子集成技術(shù)中沒有取得和微電子學(xué)一樣的成本優(yōu)勢，所以必需盡可能地排除這些不同之后才能得到正確的結(jié)論。應(yīng)用微電子學(xué)的方法學(xué)到光子學(xué)中，可以期望PICs的設(shè)計研發(fā)和生產(chǎn)成本將大大降低，它們將在通信、數(shù)據(jù)處理、傳感、醫(yī)學(xué)設(shè)備、度量學(xué)、光子消費產(chǎn)品等領(lǐng)域取得突破性的廣泛應(yīng)用。這也將加速更多高級集成技術(shù)的發(fā)展從而最終將我們帶入超大規(guī)模光子集成芯片(VLSI PICs)時代。