2021/07/08光子集成回路所带来的光学变革 vol.2 by VLC Photonics

继上周提供的由我们集团子公司VLC光学VLC Photonics发布的有关“光子集成回路的光学系统变革”的第一篇。
本周，我们会继续就基本材料的特性，可集成的光学机能及如何集成等内容进行进一步的深入介绍。
内容涉及光子集成相关的市场，技术概要，以及今后市场展望，希望您能够感兴趣。

VLC Photonics Whitepaper v2.2 June, 2021

光子集成回路所带来的光学变革 vol.2

摘要

光子技术实现了涵盖光通信，生物医疗诊断装置，以及精密光纤传感器，等一系列光的应用。
与此同时，各种用途所需的光学部件往往很占空间并且价格昂贵。尤其是涉及到和电子部品组合使用的时候，更需要精密的组装。为了解决此类问题，我们聚焦在将集成光学中嵌入一些具有光子功能的方案，从而实现简化系统组装并显著降低成本。
然而，实现芯片集成的尖端光学制造技术传统上只有极少数人负担得起。
但是，通用光子集成已被证明是一种非常有趣的技术，为广泛的应用和市场提供了经济高效和高性能的小型化设计。

在上篇中，我们介绍了回顾了光子集成技术的发展前景和背景。
本次，我们会聚焦于光子集成技术中，如何利用各基板材料特性进行光子集成。
同时，通过对比ASPIC与微光学组装和通用集成，对ASPIC的优点进行介绍。

主要光子集成技术

概述
在ASPIC的设计和制造中，可以根据用途选择各种各样的基板材料和技术。
现在，广泛使用的材料及技术如下：

• 硅光子学：绝缘硅^*1（220 nm和3μm SOI）和硅基二氧化硅^*2（SiO2，也称为PLC）和氮化硅^*3（SiN和TriPleX）
• III-V光子学：磷化铟^*4（InP）、砷化镓（GaAs）及其衍生物。
• 铌酸锂^*5（LiNbO3）以及其他材料。

特性
这些材料各有优势和局限性，主要特性介绍如下：

根据这些特性，可以决定按照哪些光学素子的实用方法进行集成可以发挥最高性能
下面表示一般的集成机能和被认为是适配这些机能的基板材料：

是怎么进行集成的？

单片集成与微小光学组装
前面描述的技术只使用单一材料芯片制造完整的光学器件，即单片集成。这比目前在微型光子系统中进行部品组装的技术相比更进一步。
通过把所有的光学性能和部品整合在基板上，从而简易化复杂的组装，对焦，封装测试等工序。
此外，在单个封装中超过20-30个光学元件时，这是衡量系统复杂性的唯一方法。
然后，选择集成材料将确定技术平台的功能和设计规则，使其中一些更适合某些应用程序
因此，这是整合过程的关键步骤，需要仔细评估^*6-7。

特殊集成与通用集成
ASPIC 多年来一直采用“专业集成”的生产模式，这种模式侧重于单一光学元件，而不是针对完整的光学系统。该模式基于特定光学元件，零件的特定需求和和市场，例如通信用激光器、光电二极管或功率分配器，调制器等。
对于这些光学元件的制造，我们通过新设制造设施，调整制造过程等方法，从而实现最佳性能。但是现在的一个状况是：由于前期需要巨大的投入，这种模型需要每个月生产数十万台才能盈利。
另一方面，通用集成则是聚焦于应用，而非一个个光学元件，与仅为单个设备开发的特殊制造流程相比，在通用集成的制造流程中，会使用提前开发好的多个固定模块流程(构成ASPIC的要素，光学素子)。

在通用集成制造过程中使用事先为通用制造过程开发的多个构建块（构成ASPIC的构成要素、光学元件）。通过组合这些，可以产生集成了多个光学功能的设备。
这个模型可以让很多用户共享制造过程和成本，所以ASPIC的生产和销售不一定需要庞大。
此外，根据需要，可以将通用的制造过程进行规模化，转移到大量生产中。因此，通用集成模型可以通过低投资实现定制ASPIC的设计，不需要巨大的R&D投资，就可以开拓集成光学领域。

参考

*1

W. Bogaerts et Al., "Silicon nanophotonic waveguides and their applications,” Proc. SPIE 7134, Nov 2008.

*2

C.R. Doerr and K. Okamoto, "Advances in Silica Planar Lightwave Circuits," in Journal of Lightwave Technology, Vol. 24(12), pp. 4763-4789, December, 2006.

*3

F. Morichetti et Al., "Box-Shaped Dielectric Waveguides: A New Concept in Integrated Optics?," in Journal of Lightwave Technology, Vol. 25(9), pp. 2579-2589, September, 2007.

*4

R. Nagarajan et Al., "InP Photonic Integrated Circuits," IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, Vol. 16(5), Sept 2010.

*5

W. Sohler et Al., "Integrated Optical Devices in Lithium Niobate," in Optics & Photonics News, Vol. 19(1), pp. 24-31, 2008.

*6

D. Liang and J.E. Bowers, "Photonic integration: Si or InP substrates?," in Electronics Letters, Vol. 45(12), pp. 578-581, June, 2009.

*7

G.A. Vawter, "Defining capabilities of Si and InP photonics," Proc. of IEEE AVFOP conference, 2010.

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