导言
集成到单个光电子集成电路（PIC） 上的元件数量正在迅速增加，这与微电子领域著名的摩尔定律轨迹如出一辙。然而，迄今为止展示的大多数超大规模集成 （VLSI） PIC 主要由波导和耦合器等无源元件组成，缺乏激光器、调制器和放大器等丰富的有源元件组合。通信、计算和传感领域的新兴应用将大大受益于有源和无源光子组件的高密度集成。在各种 PIC 平台中，磷化铟（InP）提供了最全面的有源组件组合，同时还具有发达的无源波导功能。本文探讨了基于 InP 的 PIC 向大规模集成 （LSI） 和 VLSI 扩展的前景和技术进步。
图 1 和图 2 分别显示了过去几十年来所报道的 PIC 组件数量和芯片尺寸的演变情况。从历史上看，InP 一直是占主导地位的平台，在用于光通信的波分复用 （WDM） 技术的推动下，InP 在 2000 年代初从小型集成过渡到中型集成。最近，在硅基光电子工艺平台上展示了拥有超过 10 万个组件的 VLSI 无源电路，用于光开关和光相控阵等应用。然而，调制器和半导体光放大器（SOA）等有源元件的封装密度却赶不上无源元件（图 3）。有源元件和无源元件之间的这种密度差距是限制集成电路进一步扩大 VLSI 规模和增强功能的关键瓶颈。
图 1. 多年来单片 InP、SOI 和异构 PIC 平台每个芯片的功能元件总数，并标注了各研究所和公司的具体实例。
图 2. 随时间变化的芯片面积，数据点基于报告信息，与图 1 没有直接关联。图中突出显示了各研究机构和公司的显著实例。
图 3. 随着时间的推移，无源、MEMS、TOM、EOM 和 SOA 元件的每芯片元件密度，并标出了各研究机构和公司的具体实例。实现 InP PIC 规模化的关键方法是组件微型化，这可以通过移除基底来实现，从而创建一个高碍事膜波导结构，类似于硅绝缘体 （SOI） 平台。图 4（a） 展示了传统的基于衬底的 InP 波导截面和埃因霍温工业大学开发的基于膜的方法。如图 4（b） 所示，膜波导的横截面积仅为传统 InP 波导的约 5%，可实现 1 μm 半径弯曲、4 μm 偏振旋转器和 3 μm 反射器等超紧凑无源元件。
图 4. （a） 基于衬底和基于膜的 InP 技术的波导截面图。（b） 利用 InP 膜技术实现的弯管、反射器和偏振模转换器等小型化无源元件，用箭头标出。比例尺：1 微米。有源元件的微型化也得益于膜方法。通过将加热元件置于高度封闭的光学模式附近，已经展示了长度小至 13 μm 的紧凑型移相器（图 5a）。基于电容器结构中载流子积聚的调制器显示出良好的微型化前景，据报道，其半波电压长度积（VπL）可低至 0.9 V.mm。利用增强的光学约束，实现了超低阈值膜激光器，其占地面积比传统设计小一个数量级。利用模分复用技术的双通道膜 SOAs 有可能在保持高光学增益的同时进一步缩小尺寸。
图 5. 具有主动功能的微型薄膜 InP 组件：（a）13 微米长的移相器，来自 Wang 等人，2023 年。（b） 2022 年，Takahashi 等人制作的带有基于表面光栅的腔体的膜激光器。（c） 微型化波导耦合UTC-PD，来自 de Graaf 等人，2022 年。
图 6. 基于薄膜的微型光学输入/输出元件的 SEM 图像： （a） 用于光束转向的光栅天线，带放大的光栅插图。（b） 用于光纤接口的光栅耦合器。（c） 用于自由空间接口应用的接收器元件。比例尺：（a）为 200 微米，（b）为 10 微米，（c）为 1 微米。槽波导、等离子体和光子晶体等纳米光子方法为波导截面缩放之外的元件微型化提供了更多机会。图 7 展示了 InP 平台上的槽波导和等离子体调制器实例，其最先进的 VπL 值低至 0.44 V.mm。具有慢光增强增益的光子晶体膜激光器和 SOAs 也有报道，尽管迄今为止大多采用光泵浦。
图 7. 通过提高效率实现调制器微型化：（a）MZM 阵列的显微镜图像，显示优化的脊波导截面。（b） 基于槽波导的 MZM 的显微镜和放大 SEM 图像。（c） 制作的等离子 MZM，以及 20 μm 长波导调制器的详细 SEM 图像。除了最大限度地减少单个元件的占位面积外，通过先进的集成方案和电路布局进行区域优化，对于在 InP PIC 上实现有源和无源元件的高密度封装很重要。用于有源和无源元件集成的传统对接再生长技术受到边缘生长速度增强效应的限制，这种效应会降低界面附近的材料质量，并限制相邻再生长区域之间的最小间距。埃因霍温工业大学开发的创新型 "开放式掩膜 "再生长技术（图 8a）通过在外延过程中将功能区尺寸与掩膜区解耦来规避这一限制，从而实现了有源元件之间的任意间距，如图 8c 所示。
图 8. 用于大规模致密集成的再生长工艺：（a）概念工艺流程，包括掩膜沉积、选择性湿蚀刻、掩膜打开、再生长、选择性去除多余材料和掩膜去除。（b） 0.5 × 1.7 平方毫米有源区与再生长无源 i-InP 界面截面的染色-蚀刻 SEM 图像，显示二氧化硅掩膜。刻度线：500 纳米。（c） 在一个大的再生区域内实现密集的主动-被动集成。高效散热对于激光器和 SOAs 等高密度集成有源元件非常重要。图 9 显示了密集 SOA 阵列在硅衬底上有无热分流的模拟温度曲线。直接粘接到高导热基底并加入金属分流器可以显著改善热量的提取。
图 9. 膜 SOA 的模拟温度分布，比较没有和有硅衬底热分流的情况。电气 I/O 密度是复杂的有源-无源 PIC 空间利用率的另一个潜在瓶颈。通过膜结构实现的多层正面和背面电气传输线（图 10）可提供额外的路由资源，并将偏置传输与信号传输分开，从而缓解这一问题。
图 10. （a） 多层电气 I/O。（b） 使用 InP 膜技术的背面电气 I/O。目前，大多数商用 InP PIC 都是在 100 毫米晶圆上制造的，但新兴的 VLSI 应用可能会推动向 150 毫米和 200 毫米等更大的晶圆尺寸过渡，以充分利用规模经济和硅行业的先进工艺设备。表 I 总结了实现大面积 InP 膜的各种方法的最新进展和挑战，包括倒装芯片键合、芯片键合、晶圆键合、SmartCut、微转移印刷和异质外延。
磷化铟为将光电子集成电路与各种有源和无源元件进行大规模和超大规模集成提供了独特的机会。基于薄膜的 InP 平台可使元件的横截面微型化达到衍射极限，而创新的集成方案，如开放掩膜再生长、热分流和多层电气 I/O，则有利于实现高封装密度的面积优化。这些 InP 光子集成技术的进步所带来的功能可扩展性将使通信、计算和传感领域的新兴应用受益匪浅。Y. Wang, Y. Jiao, and K. Williams, "Scaling photonic integrated circuits with InP technology：A perspective," APL Photonics, vol. 9, no. 050902, May 2024. [在线]。Available: https://doi.org/10.1063/5.0200861
微信公众号 
bilibili 
微信视频号