光子学中的摩尔定律
1. 光子芯片发展的复杂度
微电子学中驰名的摩尔定律以为在单片芯片上集成的晶体管数量以指数法规发展，也就是说在从前的四十年中以每两年翻一番的速度进行增长。在光子学中我们也观察到了类似的情况，蕴含早期阶段。图1和表1显示了基于InP的光子芯片(PICs)发展的复杂度。
图1 光子芯片复杂度的发展
表1 光子芯片复杂度的发展
早期复杂的基于InP的PICs蕴含1989年由Koren等造作的WDM源，1991年由Cremer等造作的光栅接管机，1992年由Gustavsson等造作的开关阵列，1994年由Kaiser等造作的表差接管机。目前为止报路的最复杂的是基于阵列波导光栅(AWG)的PICs。1988年Smit造作出第一片AWG，随后复杂度不休提高，WDM接管机在1993～1996年间的实现5～10个元件的集成，WDM激光器在1994～1996年间实现10～20个元件的集成，WDM通路选择器在1994～2001年间实现10～20个元件的集成。
新世纪以来复杂性方面显著增长：WDM接管机和发射机芯片在2003～2005年间集成了44～51个元件。出格是在2006年，Infiner忽然报路实现了集成241个元件的40通路WDM发射机。最近的器件蕴含2009年Nicholes报路的集成超过175个元件的全光可调谐8×8波长路由器，2010年Soares报路的集成超过300个元件的100通路肆意波形产生器。最近Infiner报路了迄今最复杂的PIC，即集成超过400个元件的偏振复用正交差分相移键控(PM-DQPSK)发射机。
图1显示出光子芯片复杂度的增长大体出现指数法规，但是比微电子拥有更多的离散点。若是仅仅看基于AWGs的器件，大部吩戽异点将隐没，从而出现显著的光子学摩尔定律。
2. 光子学和微电子学的差距
但是，光子学和微电子学中的摩尔定律存在沉大的差距。微电子学中用于复杂度推算的器件是贸易利用ICs，但是光子学中的器件却仅存在于文件中，而没有现实的市场利用。那么为什么文件中报路的高级PICs在欧洲、美国、远东地域已经拥有了二十年的技术堆集，还是没有进入市场呢？该问题和目前的项目赞助模式有关：技术发展和其利用缜密有关，在没有显著或者沉要的利用时就不会获得赞助。另表由于各尝试室造作光子芯片都是依照自己的技术进行，成本相对较高，还达不到宽泛推广利用的要求。这和微电子学中固然市场宽大但是技术系统单一的情况有很大分歧。因而光子芯片发展问题的解决规划就是：利用微电子学扭转世界的步骤到光子学集成中。具体说必要分两步实现：
第一步，开发几个可能实现宽大职能的通用集成技术；
第二步，开发一些可能盛开式获取这些技术的基础性架构。
3. 通用的光子集成技术
微电子学中的复杂职能都是通过以分歧的数量和结构来组装像晶体管、二极管、电阻、电容、衔接器等一系列相当幼的尺度部件实现的。复杂度从几百个到几十亿个部件的都有。
光子学中我们能够采取类似的方式。纵观光子回路的职能，能够看出它们通常由以下一些元件组成：激光器、光放大器、调造器、探测器、耦合器、滤波器、复用/分离器等。通过相宜的设计这些元件，也能够将其最幼化到一系列根基的尺度部件。
作为根基的尺度部件我们必要一些被动器件实现光的合成和分束，这样的器件分为波长有关和波长无关两类，前者蕴含滤波器、波分复用器等，后者蕴含功吩祺、耦合器和合束器等。大部门这样的器件能够通过组合分歧宽度和长度的被动波导来组成，因而只有集成步骤相宜，就能够通过集成被动波导来机关被动器件，好比多模过问(MMI)耦合器和AWG。另表这些被动器件作为根基的尺度部件若是要实现更复杂的职能还应该能对光信号的相位、幅度和偏振态进行节造。
图2显示了利用通用的InP技术能够实现的职能，蕴含被动波导器件、相位调造器、半导体光放大器、偏振转化器等四种根基的尺度部件。图3显示了一个拥有纳秒量级开关速度的集成离散可调谐激光器。
图2 利用通用的InP技术能够实现的尺度部件
图3 基于AWG的急剧调谐激光器的环路规划和显微照片
通用集成技术的一个优势是：由于拥有宽大的市场，因而为了在根基尺度部件级获取极度高的机能而对这种技术研发进行投资将会是正确的。这也将使得以这样的技术实现的光子环路拥有很强的竞争力。当然单个集成技术的高机能不会对每一种利用都合用，就像微电子学中针对高压、高速、高能或者低能等分歧的利用类型必要分歧的技术。光子学中也必要针对分歧类型的利用优化出几种分歧的集成技术，从而涵盖绝大部门的利用领域。但是必要的集成技法术量将会远远幼于当前所占有的数量。
4. 通用的光子学加工模式
一旦成熟的通用光子学集成技术开发出来之后，就必要一个面向大量用户的低准入门槛。在微电子学软件中，美国的MOSIS和欧洲的EUROPRACTICE提供了低成本的贸易加工，蕴含文档、训练以及设计软件。
定造的加工模式
在定造的加工模式中，好多工厂都是租用别人的出产线，同时工厂的出产都是针对特定的消费者及他们特殊的需要。由于这种模式中所有的发展用度都必要消费者来支付，所以现实上是属于消费者的。该模式也使得行业的进入门槛变低，由于能够不用构筑自己的超净间，能够通过租用来执行出产。该模式依然是针对一些特殊利用，因而成本得不到分摊，依然较微电子行业中的通用技术逾越好多。
ePIXnet
光子学中还不存在由通用集成技术提供的通用加工模式，其中FP6网络ePIXnet已经走出了第一步。该网络始建于2004年9月，将独立的钻研扩大到能够分享昂贵的基础性技术设施的集成钻研。该模式能够引发超净间的占有者将其设备向宽大的无设备者盛开。这样能够由更多的使用者来分管成本，从而迈出了向集成技术平台发展的第一步。
集成技术平台
此刻已经确定两种重要的集成技术平台：一是JePPIX，用于基于InP的集成技术，该技术能够提供蕴含复杂激光器和放大器在内的好多集成功能；二是ePIXfab，用于Si光子学的集成，该技术与CMOS技术兼容，因而其潜在机能较好并且成本较低。第三衷旖台TriPleX也处于确定之中，它重要用于介质波导技术，能够提供低损耗和高质量的被动器件，也能够提供从可见光到红表整个波段的热光器件。
多项目晶片
三个平台都能够通过多项目晶片(MPWs)的方式利用到相应的技术中。MPWs未来自分歧用户的测试版本集成到一个单一的晶片上，从而大大削减了芯片设计和研发的成本。
通用加工模式
通用加工模式中应该思考如下一些活动：
1) 通过齐全的或者多项目晶片构建成熟的或归档的商用加工法式。
2) 开发专用设计软件和元器件库，以便能够急剧和精确设计。
3) 中介服务：领导和培训对技术不熟悉的使用者。
4) 创建可能援手不知路若何设计芯片的用户进行设计的工作室。
5) 使用通用的测试设备。
6) 使用通用的封装设备。
这些活动在ePIXnet集成技术平台上已经进入了钻研级的水平，能够思考引入微电子领域的特殊集成芯片利用(ASICs)到光子学中，从而达到产业级的利用，该方式能够称为特殊光子学集成芯片利用(ASPICs)。
5. 通用光子学集成技术的远景
节约设计研发的功夫和成本
通过使用归档的高机能加工过程能够大大削减过程开发的高成本；通过将几个使用者的设计集成到一个单一的MPW上能够大大削减设计开发的成本；通过精确设计软件的使用能够大大削减设计研发周期；通过ASPICs过程的严格节造能够增长器件加工以及封装过程的靠得住性，从而增长合格率削减返建率，也就大大削减了测试和质量守护的功夫和成本。总的来说相对于传统的加工模式，通用加工模式在中幼体积PIC的成本方面将会削减10倍以上。
机能
即便通用过程并不是对每一种利用都有效，但是对大部门的利用来说还是拥有竞争力的。好比EuroPIC开发的加工过程和PARADIGM过程就是基于已经存在的集成平台技术，能够出产高机能的调谐激光器和高速接管机。表2给出了PARADIGM项目在2014成功实现后各职能？樵て谀芄淮锏降幕苤副Ｄ芄豢闯鏊且廊晃至说ジ銎骷的水平。若是几个通用技术能够得到持续的投资相信这些机能将会不变增长甚至在某些特定利用中比特殊技术更好。
表2 InP通用加工过程中职能？樵て谀芄淮锏降幕苤副
市场开发
迄今为止，PICs重要利用于通讯中的一些利基领域，这些领域往往拥有通常技术无法满足的机能需要。一旦通用技术使得PICs的成本降落之后，它们在通讯接入网等领域也将拥有宽泛的市场。
同时随着设计研发和加工成本的降低，PICs在其他领域也将拥有宽泛的利用。好比光纤传感市场，PICs能够包办大量已经存在的光源、探测器、信号出来回路等？；褂泄庋в泄夭阄黾际(OCT)，传统OCT重要使用800nm窗口用于视网膜诊断，但是对于皮肤和血管诊断来说1500nm波长将是更好的选择，这提供了很好的InP PICs利用于OCT设备的机遇。另表还有一类器件利用就是皮秒和飞秒脉冲激光器，PICs能够集成蕴含肆意脉冲整形器的锁模激光器，能够产生宽泛的分歧利用，好比高速脉冲产生器、功夫复原回路、超快AD转换器和多光子显微镜等。
以上只是列出了PICs利用中一些例子，一旦ASPICs变得便宜之后它们将会给各类公司提高竞争力提供宽泛的机遇。
复杂度的发展
我们进展在接下来的几年中低成本的商用PICs加工技术能得到利用，从而使得PICs的市场份额急剧增长。但是也不仅愿芯片复杂度随之大大增长。首先被动器件中不成预防的损耗将会限度能够级联的元件数量，自动器件中由于热沉散热量的限度也使得其集成数量最多也就几百个。其次由于根基的职能？楹痛χ没芈芬廊灰苑抡辗绞皆诵，因而信号在大量元件中传输必然会导致噪声累积导致信号失真从而必要进行信号再生，集成信号再生器将会亏损空间和功率。因而我们预期芯片的鼓和复杂度维持在单芯片1000个元件左右，如图4的“Generic InP”曲线所示。当然这并不料味这光子学芯片的复杂度将终止于该水平。
图4 光子集成芯片(PICs)复杂度发展的梦想曲线
6. 下一代通用集成技术
薄膜技术能够通过高的垂止刿射率差将光限度在薄膜层内，因而由它组成的器件尺寸将会更幼，好多情况下，尺寸越幼意味着速度越快功率亏损越低，因而薄膜技术最有望成为下一代通用集成技术。最近几年硅薄膜技术在机能和成熟度上已经获得了较大的进展。最近的钻研展示了SiGe技术在造作高速调造器和探测器方面的可行性。硅基PICs的重要问题依然是光的产生和放大。在硅光子学中获得单片集成光源方面已经提出了一些有趣的设法，蕴含使用多孔硅，硅纳米晶体，掺铒硅和GeSn。最近MIT展示了在硅中高N掺杂Ge的资猜中能够获得增益。但是迄今为止这种方式造作的激光器的机能远远赶不上基于GaAs和InP的带隙性半导体激光器。因而硅薄膜集成平台致力于使用Ⅲ-Ⅴ激光器。图5演示了4种分歧的组合方式。
图5 在硅光子集成芯片中产生光的四种方式
图5(a)是MIT采取的一种方式，光通过表部光源耦合到硅薄膜中，该方式在片上互联网中拥有最短的蹊径，但是其扩大性较差，并且没有集成光源其复杂度也受到了限度，迄今为止该方式报路的最高复杂度是每片86个元件。
图5(b)是IMEC，LETI和COBRA选取的方式，将激光器和探测器造作在沉积于硅薄膜顶上的Ⅲ-Ⅴ中，而后光通过一个薄的低折射率层传入硅层中。该方式中很可贵到有效的光耦合。
图5(c)是UCSB和Intel选取的稍微分歧的方式，将有源Ⅲ-Ⅴ层直接沉积到硅薄膜中，通过原子结合能够使该硅波导拥有增益。该方式中光从有源层到被动层的耦合依然很难，由于所必要的高限度和高耦合效能是一对矛盾。
图5(d)是我们选取的方式，将硅薄膜换成了InP薄膜(IMOS)，通过亚微米尺度的选择性再生技术在薄膜中进行优先结合机关部门的有源区。该方式在一个薄膜中实现了自动和被动职能，它们之间的耦合也不再是问题。另表该方式中关于基底的校准问题也得到缓和。同时由于使用了较厚的聚合层来结合InP薄膜和基底，因而实现时是独立于表表状态的。这对于未来将IMOS光子集成回路和CMOS电路进行结合将是很沉要的。
InP薄膜的光学机能和硅薄膜的机能极度类似。我们已经利用IMOS技术造作好多高质量的被动器件，如图6所示：损耗7dB/cm的光子线，5μm弯曲半径损耗可忽略的曲线波导，损耗仅0.6dB的MMI耦合器，Q因子大于15000的环形滤波器，长度4μm蕴含整个L/C/S波段的偏振转换器。
图6 被动IMOS器件
但是为了获得可用于光子学集成平台的齐全的器件系列，还必要利用该技术开发更多的器件。最沉要的是激光器和放大器等自动器件。图7显示了一个盘状的有源区，半径为250nm，蕴含4个设计引发波长为1.55μm的量子阱，该有源区已经实现了光发射。为了获得半导体激光器的全数优势，还必要电子注入，该方式在钻研中。
图7 再生之前的亚微米有源区
IMOS技术结合了经典的InP光子学和经典的硅光子学，最终它将在不必要高功率的领域宽泛的包办InP光子器件。同时由于在光产生和放风雅面硅光子器件力所不及，因而IMOS也将占据这些领域。
由于薄膜器件更幼的尺寸和功率亏损，我们预期可能有效集成光源和放大器的薄膜技术所允许的芯片集成复杂度将比经典InP技术高一个数量级，如图4中曲线所示。
7. 集成技术的最终大局
当光子集成达到了大规模集成(LSI，>10000)或者超大规模集成(VLSI，>1000000)水平，必然出现由仿照信号处置向数字信号处置的转变。
一个全光数字信息处置系统蕴含：具备齐全布尔运算系统并能够级联用于任何数字运算的器件和器件系列。这些器件必须具备微型尺寸，可能被密集集成，可能用集成回路技术进行互连(也意味必须具备低功率需要)，必须可能以相对于电子学更高的速度运行。固然从前40年里各人都致力于造作切合上述要求的器件，但是由于不足快的、牢固的、低功率光学非线性的资料，因而并没有实现高速、复杂、集成的数字光学处置器。
激光器拥有适合数字运算的非线性光学个性，并且也能够作为光学信号的光源。微纳激光器还拥有幼尺寸、低功率。因而可能在一块芯片上集成较多的数量并拥有高速运行的潜能，也可能相互耦合实现数字职能。
幼型化是低功率激光器实现高速数字运算的关键问题。由于衍射的限度，绝缘介质腔达到最幼光学模式尺寸使佧个激光器依然拥有几个波长的尺寸。为了进一步减幼器件尺寸，能够使用金属造作激光谐振腔，该方式能够使器件尺寸在2个或者3个维度上幼于一个波长。金属激光器在低功率下能够拥有THz的调造或者弛豫振荡频率。该个性使得数字光子器件在高机能利用中能够媲美于电子器件。
从前很长功夫内以为金属纳米腔的损耗很大，但是近期尝试证明金属造作的纳米激光谐振腔不仅能够使得激光器的整个尺寸幼于一个波长，并且光学模式尺寸也会被减幼到衍射极限以下。
图8显示了凯时尊龙人生就是博特殊结构，在一个薄的绝缘体中刻蚀一对拥有非同性结构的柱子，而后再用一厚的惰性金属层将整个结构包起来。柱子的直径约莫260nm，蕴含一高度为300nm的InGaAs有源区。柱子中的InGaAs非同性结构和金属组成谐振腔，在低温下该谐振腔实现了1400nm的激光引发，阈值电流在77K时是6μA。
图8 金属纳米激光器
图9 通过封装非同性结构实现的MIM波导
上述非同性结构方式中通过扭转柱子状态能够造作波导，好比在一片长的薄正方形柱子中刻蚀一样的结构。将整个柱子用金属包起来之后形成了所谓的金属-绝缘体-金属(MIM)波导。MIM波导是少数几种真正允许光的亚波长限度和传输的结构之一，光能够在肆意的薄绝缘体区域传输，如图9所示。
使用MIM波导能够有效的将激光耦合到传统介质波导或者其他被动或自动性带隙等离子模式波导中。理论显示通过传统的集成光学能够将MIM波导造成好多通常的波导器件，好比分束器、光栅等。另表MIM波导不仅能够将光限度在亚波长领域内传输，并且拥有极度紧凑的封装密度。
理论上，使用MIM波导能够机关幼尺寸、高质量模式沉叠、低质量因子的激光器，使引发激光的调造带宽在THz量级，抽运功率几十毫瓦。如此幼体积、高速和低功率的激光器将组成集成数字光子学处置系统的基础。准则上在单片芯片上集成超过100000个这样的激光器是可行的，这将把我们带入到光子学的VLSI时期。另表等离子的纳米激光器也有望用于推动激光器尺寸的幼型化。
8. 结 论
本文会商了由于微电子和光子学集成技术的巨大差距而使得摩尔定律不能利用到光子学中的概想。对于今天的光子集成技术来说该概想的确是对的。但是正是由于分歧的最大原因是由于光子集成技术中没有获得和微电子学一样的成本优势，所以必须尽可能地排除这些分歧之后能力得到正确的结论。利用微电子学的步骤学到光子学中，能够进展PICs的设计研发和出产成本将大大降低，它们将在通讯、数据处置、传赣注医学设备、怀抱学、光子消费产品等领域获得突破性的宽泛利用。这也将加快更多高级集成技术的发展从而最终将我们带入超大规模光子集成芯片(VLSI PICs)时期。