01.光电子积体线路的起源与发展
半导体技术的发展始于晶体管的发明以及少数载子注入现象的发现。积体线路的问世与半导体技术的可扩展特性彻底改变了现代社会，半导体技术能够持续提升固态线路的功能性、效能和可靠度，同时缩减尺寸、降低功耗与成本。这种扩展呈现指数型成长，当今的积体线路单一芯片可容纳超过500亿个晶体管，每个晶体管的成本低于0.1微分。积体线路的核心价值在于透过半导体批次制程与晶圆级加工提供元件与线路连接，消除离散封装与组装个别元件或小型线路的需求。
半导体雷射的开发、半导体合金雷射的实现，以及化合物半导体合金的可行性，为将电子积体线路概念延伸至光电子技术奠定基础。Miller在1969年于《贝尔系统技术期刊》首次提出这个构想：
「本文概述了一种微型激光束线路的提案……光刻技术可能允许同时构建复杂的线路图案……若能实现……应可带来经济效益。」
自这项提案提出至今已超过50年，期间出现许多光电子芯片的研究示范。然而，积体元件带来的经济价值往往无法抵销积体化本身的成本，这限制了光电子芯片的商业成功与发展。迄今为止，光电子芯片的导入与扩展主要由光通讯应用所驱动。
02.InP基光电子芯片在光通讯领域的应用
最早期的商用光通讯光电子芯片约在30年前推出，当时开发出InP基电吸收调变雷射。光电子芯片的商业影响随着InP基宽调谐雷射的导入而大幅增加，近期更出现InP基密集分波多工(DWDM)发射器与接收器系统单晶片光电子芯片，工作速率达100Gb/s、500Gb/s、1.2Tb/s及1.6Tb/s。这些进展的演进过程如图1与图2所示。
图1：InP基发射器芯片在商用光网路中的数据容量扩展，过去35年以上数据容量平均每2.2年增加一倍，自2004年起商用系统单晶片DWDM光电子芯片对此扩展极为关键，研究结果已展示可达4.9Tb/s容量的系统单晶片DWDM光电子芯片。这些InP基DWDM发射器与接收器光电子芯片整合完整DWDM通道所需的全部光学功能，并将多个这类通道整合至单一单晶芯片上，分别用于发射器与接收器。最大规模的商用光电子芯片在单一单晶芯片上整合超过400个功能。最高效能的光电子芯片工作速率超过100GBaud，每个波长达800Gb/s，研究元件工作速率超过150GBaud，每个波长达1.2Tb/s。
图2：6代DWDM传输模块的扩展。商用多通道DWDM系统单晶片光电子芯片的部署，使总频宽在大致相同的封装尺寸内较约1998年部署的10Gb/s电吸收调变雷射扩展160倍。03.GaN基光电子芯片技术
可见光与紫外光谱为光电子芯片的新兴应用提供更多机会，包括感测领域(环境、健康医疗、影像等)、原子与量子元件与线路(原子钟、磁力计、陀螺仪等)，以及通讯(水下通讯与极低功耗芯片间与芯片内通讯)。这些应用得益于高效能GaN基发光元件与雷射二极管的实现。尽管有这些进展，仍缺乏可整合于全功能光电子芯片平台的高效能可见紫外光谱光源。具体而言，需要能够整合窄线宽/低相位噪声、高功率、可调谐雷射光源，并可与横跨可见紫外光谱工作的高Q值可调谐共振器、滤波器、放大器、检测器及调变器整合。
虽然透过GaN基合金的开发，在可见紫外光谱范围内的发光二极管与雷射二极管实现上取得巨大进展，但若干固有挑战限制了此光谱范围内光电子芯片的发展。这些挑战包括：实现极低损耗波导的能力、被动波导与主动元件的低损耗/低背向反射整合、高效能单频光源、将多个主动区域整合至光电子芯片上，以及整合具有工程化反射光谱的高Q值(可调谐)共振器。这些限制源于GaN基材料的多项固有挑战，包括不同InGaN、GaN与AlGaN合金之间的折射率对比降低、由于严重的晶格与热膨胀失配而限制将AlGaN与InGaN的全范围合金整合至单一元件结构的能力、缺乏高质量选择区域成长与对接重新成长技术以在单一芯片上整合多种III族氮化物合金，以及无法透过重新成长实现埋入式元件结构(例如埋入式异质结构与埋入式脊波导及主动元件)。III族氮化物制造技术在生产超平滑蚀刻波导侧壁方面的不足，对于紫光与紫外光高效能元件日益成为问题，因为散射损耗随波长缩短而大幅增加(瑞利散射损耗与波长的四次方成反比)。此外，实现无裂纹整合低折射率介电质与整合(埋入式)低阶光栅结构的挑战，进一步限制了可见紫外光谱高效能光源与光电子芯片的实现。
为克服这些GaN基挑战，需要开发新的制造技术。其中一种技术是晶体异质整合(CHI)，这是一种次世代晶圆键合技术，能够实现III族氮化物基板的大面积整合，同时在晶圆键合界面处对于n型层的整合具有低光学损耗与低电阻。此技术实现了新的GaN基光电子芯片平台，可整合III族氮化物主动元件与低损耗SiliconNitride基被动波导。SiliconNitride基波导最近在450-460nm范围内展现0.09-0.2dB/cm的低损耗。此外，这种低损耗SiliconNitride波导技术也展现出能够实现高Q值共振器，在461nm处Q值超过900万。新的GaN基光电子芯片平台解决了整合这些低损耗波导(通常有效折射率(neff)在约1.7-2.1范围内)与有效折射率为2.2-2.6的III族氮化物主动元件的问题，实现主动-被动转换，设计插入损耗小于0.2dB，设计背向反射小于-60dB。
此光电子芯片平台也兼容于最近开发的单频GaN基分散反馈(DFB)雷射二极管的整合，这些雷射利用一阶光栅实现单频操作，边模抑制比(SMSR)大于25dB(见图3)。这些构建模块与光电子芯片平台可在感测与量子科学应用中实现重要解决方案。
图3：使用一阶光栅的GaN基分散反馈雷射的单频发射光谱，此类光源是GaN基光电子芯片的重要构建模块。GaN基光电子芯片的另一个重要应用是芯片内与芯片间通讯。先进积体线路处理器芯片的总数据容量扩展需要芯片间互连的输入/输出(I/O)等效扩展。这些处理器的I/O需求在未来几年内扩展至超过50Tb/s。因此，产业正接近I/O功耗与密度将限制未来处理器扩展的临界点。因此需要变革性技术来实现这种持续扩展。最近展示的工作速率超过10Gb/s的GaN基发光元件，效率低于0.7pJ/bit，这包含发射器与接收器驱动/放大电子电路与光电子技术所需的全部功率。此外，这些元件可以大阵列方式操作以获得高聚合频宽(已展示304通道实现1Tb/s)。而且，这些元件在高达290°C的温度下保持高频宽(3GHz)的能力最近已获得展示。
图4：InGaN/GaNmicro-LED从25°C至290°C在5kA/cm2下的调变响应。在290°C时，micro-LED展现大于3.2GHz频宽，已展示能够实现大于13Gb/s传输。与其他光通讯光源不同，这些元件的高温操作能力可在温度高于硅CMOS接面温度(约大于125-150°C)下工作，使其能够放置在所需驱动电子电路的近距离位置，消除对高功耗序列器-解序列器的需求，并显著进一步降低功耗。迄今为止，这些高速、高温InGaN/GaNmicro-LED已在表面发射配置中实现，耦合至光纤或光纤束。然而，低损耗SiliconNitride波导与GaN基主动元件低损耗主动-被动转换的开发，预示着能够以边缘发射配置实现这些元件，这将进一步扩展芯片间与芯片内通讯的应用。
04.结语
光电子积体化时代始于用于光通讯的InP基光电子芯片。在过去35年以上，这些光电子芯片在效能与复杂度上持续扩展，实现高容量光网路的指数型扩展以及全球依赖的通讯能力。GaN基光电子芯片需要大量新创新才能实现，但若能做到，将可在光通讯、感测以及量子科学应用(用于计算、通讯与感测)中提供新的解决方案。
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