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引言! A% {& e" `0 A5 S2 E1 s
自20世纪60年代固态激光器问世以来，集成光电子技术领域取得了显著进展。与电子集成线路（EICs）使用电子作为基本信号载体不同，光电子集成芯片（PICs）需要在芯片上实现光子的产生、操控和探测。这种根本性差异使得材料平台的选择比电子集成线路更具挑战性[1]。
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基础材料平台及特性8 w. u$ Q% }% s! v
多种材料平台已经发展起来，支持集成光电子技术中的不同功能。主要平台包括绝缘体上硅（SOI）、氮化硅（SiN）、绝缘体上铌酸锂（LNOI）和磷化铟（InP）。每个平台基于其光学和电子特性提供独特的优势。
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图1展示了集成光电子技术中四种主要波导类型的横截面示意图：埋入式通道、扩散掺杂通道、条形和脊型波导。这些结构构成了光传播的基础。
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材料的选择取决于多个关键参数，包括能带特性（直接或间接）、光学透明度范围、折射率和非线性特性。例如，硅虽然是电子技术的基础，但由于具有间接带隙，限制了发光效率。相比之下，磷化铟具有直接带隙，在光生成和放大方面表现出色。3 C5 S& w! T4 Z' R4 t
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. V' Y/ M. N! e5 C9 b1 q光电子集成的基本构件7 E4 N* ~; E/ Q l, Y) ~: }/ w
光电子集成芯片的基本组件包括波导、方向耦合器、多模干涉仪（MMIs）、马赫-曾德尔干涉仪（MZIs）和微环谐振器（MRRs）。/ j) }: g! t: Y- J: }$ x) L6 z6 o
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$ k& ^. W o" T, X5 y/ a, _( c图2展示了设计光电子集成芯片所需的基本组件和功能示意图，包括无源和有源器件。3 g5 I t; i: z; Y5 P, d
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图3展示了光电子集成芯片中常用的重要无源、有源和光电子器件的示意图，展现了基本构件的多样性。8 @2 c% s8 N/ }# d' z( B5 Q
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先进集成平台
0 b. e- }! h9 a现代光电子集成技术已发展出支持从通信到光量子技术等多种应用。可编程光电子集成芯片（PPICs）的发展代表了该领域的重大进步。
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- V% n6 \' c6 Z# ^$ Z: F' x图4展示了面向低成本和大规模制造的未来可编程光电子集成芯片的示意图。4 G0 \8 B1 v) H5 {' D. ~( g
L. f# j- k, n) N! c+ e1 q+ B$ Z硅基光电子技术是最有希望的平台之一，可利用现有的CMOS制造基础设施。然而，在硅基平台中集成有源器件，特别是激光器仍然具有挑战性。* k# n* u7 R! M& z
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图5展示了典型SOI基硅基光电子工艺堆叠的横截面图，展示了现代光电子集成的复杂性和精密性。/ |( d- s. f3 h8 J
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制造与代工服务
' w: ?3 t) ]4 ] K* |集成光电子技术的商业化主要依赖于成熟的代工服务。全球多家代工厂提供不同的材料平台和加工能力。! y4 Z1 z/ C0 r: g) r
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+ o1 m Q9 n& l; n6 M图6展示了面向未来多用途可编程光电子集成芯片的不同硅晶圆平台，展示了向更复杂和集成解决方案发展的趋势。
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* E+ A6 }8 B) E未来展望, v/ t0 |, t, O* ~- f
集成光电子技术领域持续发展，光量子计算、5G/6G通信和神经形态计算等新兴应用推动着创新。多种材料平台的集成和混合解决方案的开发将在未来发展中发挥关键作用。' y3 h W9 j5 m; E9 Z
5 R( [/ d! L1 ]' R3 w' g+ C主要挑战包括实现高效的激光器集成、减少耦合损耗和提高制造良率。随着新材料和加工技术的持续发展，以及商业需求的增加，集成光电子技术将继续快速发展。1 D/ ~& U1 O( R6 V. K, x
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5 ~# V; @ m5 A0 j. V9 d2 t图7展示了集成光学相移器常用的不同机制，代表了光控制和操纵技术的持续创新。
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. T! f6 y5 h1 b本概述展示了集成光电子技术可用的多样化材料平台，每个平台都为特定应用提供独特优势。这些平台的持续发展，加上改进的集成技术，将推动光电子技术的进步。7 B) [7 G. P/ D7 N
- ^1 m; @4 a6 ?8 {* w参考文献) R( h& ?$ z" k- a3 |
[1] Goswami, S. Hassan, N. Nallusamy, and B. K. Das, "Material platforms for integrated photonics," in On-Chip Photonics. Amsterdam, Netherlands: Elsevier, 2024, ch. 4, pp. 91-125. h5 z# I) w' j% G
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