面向宽带信息系统的集成微波光子技术研究进展及趋势

技术研究进展及趋势陈智宇，顾杰，周涛，钟欣(电子信息控制重点实验室，四川成都610029)摘要：集成微波光子技术具有宽带性、高速性、小巧性和抗干扰性等一系列优势，是未来宽带信息系统发展的关键技术路

径之一。其中，硅基单片集成和硅基异质集成是集成微波光子技术的两个重要研究内容。本文通过分析基于硅(Si)、锯酸锂

(LiNbO3)和II+V化合物等材料体系的光子单片集成和异质集成器件的研究现状，探讨了集成微波光子系统的发展趋势。本

文认为：面向宽带信息系统，以硅材料为基底，多种材料体系进行异质集成，能够兼容COMS工艺的同时，还能充分发挥各种 材料性能优势，因此将会成为未来集成微波光子学的重要发展趋势。关键词：微波光子；集成器件；单片集成；异质集成中图分类号:TN015 文献标志码：A 文章编号:1002-35(2019)04-0001-05doi：10. 16540/j. cnki. cnll-2485/tn. 2019. 04. 01Technology Progress and Development Trend of Integrated Microwave

Photonics in Broadband Information Systems

CHEN Zhi-yu, GU Jie, ZHOU Tao, ZHONG Xin(.State Key Laboratory of Electronic Information Control, Chengdu 610029 , China)Abstract: Integrated microwave photonics (MWP) has been considered a promising technique for fu­

ture broadband information systems, since it has advantages of broad bandwidth, high speed, small size, and the immunity to electromagnetic interference. Monolithic integration and heterogeneous integration are

two important technologies in MWP. This article reviews some progresses in Si-based monolithic integra­

tion and heterogeneous integrations of LiNbO3 /Si and III-V/Si materials and provides an outlook for the development trend of integrated MWP systems. By heterogeneously integrating different kinds of materials ontosiliconphotonicplatform!COMS-compatibleintegrateMphotonicMevices withhighperformancecan

be obtained!which wil be the key technology of integrated MWP.Key words: Microwave photonics, Integrated device, Monolithic integration, Heterogeneous integra- 6on近年来，面向雷达、电子战、通信等应用对带宽、 速度、体积、功耗等性能要求的不断提升，电子信息 系统向着宽带化、阵列化、小型

当前基于分立器件的微波光子系统在体积、重量、功 耗、成本等问题上限

际中的应用#因此,方向发展[1$3] #受电子器件集成微波光子技术是解决当前电子信息系统发展瓶 颈

但是，现有以电子处理为主的技术 身

理（如电子迁移

技术途径之一3 #目前，集成微波光子技术主要分

），在系统性能提集成和升上面临着越来越多的瓶颈问题#而微波光子技术 一门将微波信号变换到光学域中，通过光学的方

异质集成，国际上已经开展了广泛研究[9$12]#西班

牙巴仑西亚理工大学研究 将激光器、单边带调器等器件集成在法实现信号 、处理等过程的交叉学科，具有宽等一系列优势…。然而,器、可调光滤波器以及光电

InP芯片上，成功研

带、高速、小

集成的微波光子滤波2C#9-04 !真空电子技术VACUUMELECTRONICS器「10*;美国国家标准与技术研究院提出了一种光频 在硅基单片集成技术中，基于硅的调制器和激光 器是主要研究

率综合器方案，通过将不同 环进行 集成，实现了分辨

激光器和多个微1 Hz,频率调节。2010年，英国 大学研究电光调 ， 调 器中范围为4 THz的光信号产生)11] ； Infinera公司基于

InP光子集成电路技术，将激光器、调制器、光混频

射率方面相继研究 应以及量子限

调制、等离子色散应(QCSE)等方案)13*。器、平衡 器等光子器件进行异质集成，研制出1. 2 Tb/s相 射接收模块，该模块集成了 6个

大多 集成调 方案都基于等离子散射效应，通 子 方

.公司则提

进行折射 。而n-200 Gb/s的通道，并且还能进一步 )12* #子聚集 射率方式，在微子聚集到电解

一1围绕集

合物等

集成 集成两种方法，重米级波导内通过将自由 端，成功实现

如图1

)14*。

点分析了基于硅(Si)、锯酸锂(LiNbO3 &和III-V族 基集成光电调制器，其结构和系的光子集成器件研究现状。然系

：以

工作

而，单纯基于Si: 集成GHz的硅基电光调制器研究 ，后续研究人员通过10 Gb/s

的成 系进行

，但是会 激光器、调制器 器等现了调 )15*。有源器件的性能。 还能充分发挥各种 成微波光子

基底，多种材料集成，能够兼容COMS工艺的同时，性能

。，将会成 集1单片集成技术单片集成是指采用同一种半导 术，可以

集成技性种，分 k图1

(a)典型硅基电光调制器结构；(b)硅基电光调制器眼图器件集成中由于不同半导

主

不一致而产生的复杂问题。当前，微波光子集成器 件 作比较有潜力

IIIV族(包含InP、GaAs)、绝缘层上硅(SOI)以及

硅基激光器方面，Inter公司也进行了深入研 究。 研 波硅基

基于环环形激光器

激光器，结构如图2(a)所示)16*。 方案氮化硅/二氧化硅(Si'M/SiO?)。这三种材料在不

同器件的研制上各 合

，如表1所示。IIIV族化波导 作上损耗较大，约用SOI- 波导 光

p-i-n波导

，通过光、探测、放大、调制等有源器件上优势十合集成电路与集成波导将微环与 向 合器相 ， 而可 现信 号 光

分 ，但 光

。 研 究 人 通3 dB/cmo SOI 平

， 微环 性损耗，实现了混合集成，且在各种光学器件性能上表现均一

阈值仅为20 mW、输出功率可达50 mW的硅基集

衡。基于Si' N%/SiO2材料的光子集成技术与

CMOS 工艺兼 ， 大

成激光器，结果如图2(b)所示)16*。集成系统方面，硅基

集成技术也得到了发于 成SOI )大 模 o 中 ， 系 (

展。美国 大学 成)17*。各级 振腔、垂直光

分 题

，包

一个300 nm集波导、微环谐于成 、集成密度高、性能表现均衡。因此，硅方向之一。上实现了多路波分复用光收发系统

基单片集成技术成

如图3

合器、高速调制器以及雪崩光电探■表1典型微波光子器件与不同材料的匹配度分析器件低损耗波导器等。研究人员通过对电子器件和光子器件

II--V较差SOI一般一般一般一般一般一般Si3 N4/SO2好/

片集成，成功实现了「bit的传输速率)17*。基 集 成 集 成 度、 成 、CMOS 兼 性

激光器探测器调制器光放大器光延迟器好好好好等方 性能缺陷。

著 ，但

身仍

一 J较//

研究人员研 基激光器、硅间接带隙基调制器等 半导

器件，但

一般/

好/

，发光 不高，难形成 光吸收与集成电好， 现工程可用

不具备一阶线性电光效应，也难以实电光调制。2019-04VACUUMELECTRONICS真空电子技术60• 25 V

50泵浦光3-cm腔4030激光器20OO

—-—

50 100

150 200 P/mW250 300 350(b)图2 (a)基于微环

基 激光器

；(b)硅基激光器

功 |试图总申MW川川\"\"也％ :三:5 mm *■300 mm-■26 mm'图3单片集成波分复用收发系统2异质集成技术集成是选取一种材料为基底，将不同材料

按照特性的不同集成在一起的技术。该技术兼容了制器的脊波导(如图4所示)，降低了波导的最小弯 曲

，将调制器的尺寸缩小了 24倍,得到消光比为3.1 V・cm「20*。18 dB,带宽为 33 GHz,SFDR 为 97. 3 dB ・ Hz^3 的调

器件本身 系 ，而近期不断发制器，其半波电压-长度乘积

IV族与

混合集成工艺，解决了不同 集成时器件性

(如SOI)的混合集成也是研工艺 一。 一种 型 混合集成能 受限的问题。而硅基 集成由于可以兼容

CMOS工艺，以较低的成本在芯片上实现复杂的功

光子器件 方案如图5

，光模式受 波导的横向约束，可中「21*。混合波导的光性能，成 集成微波光子学

LiNbOa

方向之一#快 合到II--V

作电光调制器最常用的材料，能与II--V 研。区 隙 。通 隙宽但是该材料由于采用质子交换或钛 等弱波

度，可实现激光器、放大器、调制器、无源波导等器件

2018年，美国哥伦比亚大学研究团队利用II--

导技术，因此难以 芯片长度长、封装体积大等缺，典型半波电压-长度乘积

10〜20 V•cm。而 集成技术，通 用LiNbO3薄膜材

V 集成技术,通过边 合方法,导体增益介质集成到了硅芯片上，从而料制作强波导，通 基键合方式进行集成，能 够 传统调制器在体积上的\"―19*。Partow

将II--V

如图6

证明了一种 可调的窄 外腔激光器，封装后的等公司 上LiNbOa的工艺平台，通过键合「22*。 中，波长调谐范围 IJT250 Gb/s的相干系统传输。工艺，实现了 LiNbO3晶圆和Si/SiO2晶圆的混合集

60 nm,最大输出功率超过了 11 mW,边模抑制比为

成。2016年,该公司更进一步采用SN%来制作调更…55 dB,可支撑

0,阶信号分量BCB o.S pm5oW- H P1OOX l-d 01- X5

-4IMD3噪底-20 0 20 40Pm/dBm(b)图4(a)混合集成调制器 及光场示意图;图5 IIIV和硅混合集成方案图6混合集成激光

器的封装形态(b)调制器动态范围测试结果2CH9-04 #真空电子技术VACUUMELECTRONICS硅基异质集成技术兼容了有源无源器件本身的 材料体系

互联互通，最终实现片上服务器)5* #，具有研制性能更高、规模更大：带系与

信息系统的潜力。但是各种 集成方法等方

兼容性研究刚刚起步，还不足以工程应用，仍然需要大 科研投入。3集成微波光子系统的发展趋势近年来，单片集成微波光子系统 波光子系统 身发光 不 器、探测器为代

集成微一

器件 。但是,料本。而随着混合缺陷始终了以激光器、调制Server board @ 2012集成工艺手段

丰富，以

基底，通过合、外延等工艺手段将不同 集成在一起的基

集成技术在微波光子系统研究上展现出更大的潜力。目前，大部分微波光子集成系统均采用硅基异 质集成技术#美国Luxtera公司2007年推出了面

向光通信系统

基收发模块)3*，实现了电光调制器、波长匹配器、光滤波器、光电

器和信号处理电路的异质集成，如图7(a)所示，达到了 40 Gbit/s

的传速率(010年，Intel研究院发布了 50 G硅基光

电混合集成收发系统「24* # 系统通过InP与 光集成实现激光器阵列，利用 由载波等离子

用实现调制器的集成，基于错良

J光电效应实现光电探测器阵列，最后利用印刷、倒装

等集成封装技术将 光电子器件集成在同一个硅基板上，完成高集成度硅光子芯 研制，纟

如图7(b)所示。(a)(b)图7(a) Luxtera公司的硅基收发模块示意图；(b)Intel公司的硅基光电混合集成收发系统示意图日本内阁科学技术委员会将光子集成系统纳入

30个世界 科学技术

资金项目支持中，该项目2010年启动，目标是建立起带宽密度为10

Tb/s/cm2的片上互联系统。该项目预计2020年完

成第一阶段，图8为将 现 上服务器 ，通 过混合集成和三维封装技术，将CPU、存储器、固态

硬盘、激光器阵列、分光器、调制器、探测器、PCB版

等集成在一起，从而能够支持元件间以Tbit/s进行

% 2019-04图8片上服务器结构示意图可以预见，随着材料体系的丰富，和集成工艺的

发展，硅基

集成技术将会展现出更大的潜力，也会成为集成微波光子系统，纟 电子信息系统技术。4结束语微波光子集成技术已经成为当前电子信息系统 升级 手段之一。本文分 光子 集成和光子 集成技术的研究现状，并 集成微波

光子系统

。研究 ：以

基底，多种系共存

集成技术由于既能与CMOS工艺兼容，又可以发挥各 系 ，因此有望成为集成微波光子

技术 。参 考 文 献[1* Li K, Dong T，Xia Z. ABroadband Shared-Aperture L/

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for Next Generation System Integration Platform [J*. +EEE Communications Magazine 2013 51 (3 )： 72-77.收稿日期：2019-05-07作者简介：陈智宇（1986 —）,博士 ,毕业于

西南交通大学信息科学与技术学 院,现就职与中国电子科技集团公

司第 九研究所,主 基于微波光子交叉学科的电子对抗技术

方向发表SCI文章30余篇,申请国

家发明专利10余项；Tel：028 —87551766。通讯作者：周涛，E-mail: zhj_zht@163. com。2CH9-04 &