天华中威科技微波小课堂_光通信技术简介

随着我国信息技术的发展,如云计算､大数据､自动驾驶､人工智能等,光通信网络的传输能力得到了显著的提升,已经成为了现代通信基础设施的重要组成部分和关键承载底座｡

随着国家启动了“东数西算”工程,进一步推动了数据中心的发展,进而增加了对高性能光模块和光器件的需求｡因为在传输容量､集成度､成本和能耗等方面存在优势,光芯片､光模块成为数据中心内部互联的关键构成｡数据中心应用需要的光模块己占大约75%通信所需光模块的市场份额｡因此,数据中心已成为光模块的主要应用场景之一｡光通信的发展规律基本符合“光摩尔定理”,即传输距离不变,传输容量持续翻倍｡目前业内重点关注的400Gb/s以太网技术发展迅速,通信网络中的数据流量急剧增长,这促使数据中心朝高速和大容量方向发展,也推动光模块向更高速率升级。

结合光通信的高速发展，本文将对光通信的技术发展进行简单介绍！

一、光通信发展背景

自从1947年Bell实验室诞生第一支晶体管以来，芯片的尺寸大小和晶体管的集成度都遵循着“摩尔定律”进行飞速的发展。然而摩尔定律随着芯片尺寸的减小，进入到深亚微米或纳米量级之后，其发展也面临越来越严峻的挑战。近几年来虽然芯片上的晶体管的数量仍在增加，但是由于晶体管的尺寸不断地减小导致其功能受到了限制，使得晶体管数量增加的速度已经明显开始减缓。具体来说就是随着沟道尺寸的减小，量子隧穿效应（quantum-mechanical tunneling）会降低晶体管的性能。同时随着半导体技术的提高半导体芯片的集成度越来越高，这使得各个器件之间的电互连布线引起的功耗损失和高集成度带来的散热问题越发的突出。

什么是光通信？

以光波为信号的载波以光纤为传输媒介的通信系统叫做光纤通信( Optical fiber communications )系统，光纤通信较传统电缆通信以及无线通信的优点有:通信容量大､传输损耗低、抗电磁干扰能力强、保密性强、传输媒介光纤的原材料是储存量丰富的二氧化硅｡ 另 外，光纤较电缆还有尺寸小、质量轻 、造价低等优点｡

二、光通信器件构成

下图是一个简略的光子集成电路的组成器件：激光器、光复用与解复用器件以及光电探测器和调制器。

光纤双向通信系统的基本结构包括：电发射机、光发射机、传输光纤、光接收机和电接收机。

高速的电信号由电发射机进行编码传送到光发射机内，通过激光器（Laser device，LD）等电光器件转换成光信号，然后耦合到传输光纤中。

光信号通过单模光纤进行长距离传输后，可利用掺铒光纤放大器进行光信号的放大后继续传输。到光接收端后，通过PD等器件将光信号转换成电信号，并通过后续电学处理进入电接收机，完成信号的接收。反方向的信号收发过程也相同。

为了实现链路中设备的标准化，同一位置的光发射机和光接收机逐渐实现一体化，成为光收发模块（Transceiver）。

高速光收发模块是由以光收发组件（Receiver Optical Subassembly，ROSA；Transmitter Optical Subassembly，TOSA） 为代表的有源光器件、无源器件、功能电路和光电接口组件等封装而成。ROSA 和TOSA又由激光器、光电探测器等以光芯片的形式封装而成。

三、光通信技术路线

面对微电子技术发展所遇到的物理瓶颈和技术挑战，人们开始用光子作为信息载体以实现更大带宽、更高速率、更低功耗、更低延时的光子集成回路 (photonics inteated circuit, PIC)。光子集成回路的一个重要目标是实现光的产生、耦合、调制、滤波、传输、探测等功能器件的集成，如图所示。

光子集成回路的最初驱动力来自于数据通信，而后在微波光子学、量子信息处理、非线性光学、传感器、激光雷达等领域得到了巨大的发展。

基于不同材料的物理特性，目前的光子集成平台有：

(1)绝缘体上硅(silicon-on-insulator, SOI)。

SOI平台依赖成熟的CMOS工艺和高质量的生态环境，可以实现硅光子芯片的大批量、低成本制造。材料属性上，硅是间接带隙材料，其禁带宽度是1.12 eV，不适合用来做激光器。但是SOI体系的波导折射率差异大、模场限制能力强，可以制备紧凑、低损耗、高一致性的光波导。

通过波导掺杂的方式，利用等离子色散效应可以制备带宽>50 GHz的电光调制器。硅材料对波长大于1.1μm 的红外光是透明的，所以在通信波段，纯硅不适合做光电探测器。但是锗硅光电探测器在制造工艺上和CMOS兼容，带宽可以达到67GHz以上，响应度也可以达到1A/W。

SOI平台可扩展性高，可以通过双极互补金属氧化物半导体(Bipolar CMOS, BiCMOS)工艺实现 电子器件和光子器件的单片集成。由于硅波导的模场有效面积小，光功率密度大，当波导中的光功率较强时，除了造成较大的双光子吸收损耗外，也可能造成不可逆的物理损伤。因此，硅波导中能承受的最大光功率不能超过20dBm。

(2)氮化硅(silicon nitride,SiN)平台。

SiN是CMOS工艺中的一种常见材料，常用作绝缘体和化学阻挡层。SiN一般通过在高温(>700℃)下的低压化学气相沉积(low pressure chemical vapour deposition, LPCVD)或在低温(<400℃)下通过等离子增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapour deposition, PECVD)来制备。与SOI波导相比，SiN和氧化物包层之间的折射率差仅为38%。因此，在传播损耗方面，SiN在无源器件的性能上胜过SOI。除此之外，SiN波导的双光子吸收损耗也低于SOI波导，因此可以用来制备高品质因子的微环以及高功率应用场景下的功率分配网络。SiN波导的热光系数比SOI波导小一个数量级左右，热敏性好，可以应用于温度不敏感的器件设计，如(解)复用器。尽管SiN平台可以实现性能优异的无源器件，但它缺乏单片集成的高速器件，如调制器和探测器。这些高速器件的制备依赖于和其他材料的集成。

(3)二氧化硅(silicon dioxide, SiO2)平台。

SiO2平面光波导具有损耗小 (1.5~2 dB/m)、工艺容差大、与单模光纤模场匹配好等优点，被广泛应用于无源光网络的功分器、光收发模块的波分复用器等。根据衬底材料的差异，SiO2 平面光波导分为硅衬底和石英衬底器件。采用硅衬底制作的器件，散热性能优异、常用于制作阵列波导光栅、热光开关等温度敏感性器件。采用石英衬底制作的器件，一致性高、良率高，但是散热性能差，常用于分束器等波长敏感的器件。

(4)磷化铟(indium phosphide, InP)平台。

材料属性上，InP是直接带隙材料，可以作为激光器的增益介质。对于需要光学增益，如激光器或半导体光放大器的有源光子集成回路，基于InP的光子集成平台是最适合的。InP作为一个全集成的光子集成平台，功能是最全的，性能也是最佳的。基于InP平台的光收发芯片在光通信领域已经实现了规模化的量产。然而InP的晶圆尺寸很小，只有1~4英寸，而且外延工艺复杂，导致了非常高的单位成本。

(5)铌酸锂(lithium niobite, LN)平台。

LN具有优异的物理和化学性质，如电光系数大(33 pm/V)、光学透明窗口大、居里温度高等,这使得LN平台的商业化规模非常大。传统的LN调制器通过采用质子交换或离子内扩散技术在非晶态晶片的折射率中引起小的扰动来定义光波导，缺点是模斑尺寸大、电极间距大、电光调制效率弱。不仅如此，传统LN波导的弯曲半径大，超过了1 mm，不利于规模化的光子集成。

LN-on-insulator (LNOI)平台几乎继承了传统铌酸锂的所有材料优势，并以更小的尺寸、更大的带宽和更低的功耗放大了这些优势。预计未来LNOI调制器将同时实现CMOS级驱动电压(sub-1V)、大于100 GHz的带宽、小于0.5dB的片上损耗、瓦特量级的光功率处理、线性的电光响应、大于50dB消光比以及优异的稳定性，这些是SOI平台和InP平台所不能比拟的。但是铌酸锂只适合做调制器件，在光子集成方面仍然需要与其他材料体系混合集成。

四、不同技术路线特点

下表总结了基于不同材料体系的光子集成回路的优缺点。以InP为代表的III-V族化合物半导体平台几乎可以实现光子集成回路所需的所有器件，如激光器、调制器、探测器、放大器等。但是InP是化合物晶圆，晶圆尺寸小、外延工艺复杂、良率低，这导致了非常高的单位成本。

LN平台具有非常优越的电光调制特性，而且产业化程度较高，但是在其他有源和无源器件的制备上只能依靠混合集成。Si、SiN、SiO2平台在无源器件方面，它们的性能是最好的，而且在材料属性上可以优势互补。

但有源器件诸如调制器的性能，Si平台不如InP和LN平台。但是硅光子平台的特点是晶圆尺寸大，工艺上和CMOS兼容，在降低成本方面具有非常大的优势。而且硅光子平台可以利用CMOS的先进封装工艺，实现紧凑、低功耗、大带宽密度的光电子集成芯片。因此，在产业界的权衡下，硅基光子集成在高速光收发芯片、微波光子等领域是最具有性价比的选择。

五、结论

由于激光器、光电探测器芯片具有极高的技术壁垒和复杂的工艺流程，使得ROSA和TOSA占光模块总成本的 50%以上，并且占比会随着光模块速率的提高而增加。激光器、光电探测器芯片的自主制造能力体现着国家光通信产业的核心竞争力，而我国目前这两种芯片大量依赖进口。光收发模块中的光电探测器对接收光 信号并将其转换成电信号起着至关重要的作用，一个高性能的光电探测器必须能 够检测每秒数十亿次的光脉冲。

因此，发展高速、高灵敏度的光电探测器是满足未来光通讯快速、大容量需求的关键！

参考文献：

(1)夏鹏辉 高速硅光调制器及其集成芯片研究[D].

(2)李盈祉 硅基光学相控阵芯片的研制及应用研究[D].

(3)张明时 相位调制连续波光学相控阵激光雷达关键技术研究[D].

(4)李青云 硅和铌酸锂复合薄膜及相关光子器件的研究[D].

(5)袁纬方 面向数据中心应用的集成微透镜光探测器芯片研究[D].

(6)Christopher R.Doerr Silicon photonic integration in telecommunications[J].