隨著后摩爾時代的到來，集成電路正向著集成光子芯片的方向過渡，目的是實現(xiàn)光子產(chǎn)生以及超高速傳輸、處理和探測。在集成光子芯片領(lǐng)域，如何將光源集成在芯片上是一大難題。利用成熟的CMOS工藝可批量大規(guī)模生產(chǎn)硅基光電子芯片，但硅是間接帶隙半導(dǎo)體，出光效率較差。

為了在片上集成發(fā)光器件，可采用載流子注入技術(shù)提高硅的發(fā)光強度，利用多晶硅的反向偏置PN結(jié)結(jié)合雪崩倍增現(xiàn)象產(chǎn)生可見光和紅外光；另一種方法是將Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體激光器通過晶圓鍵合或外延生長的方式單片或異質(zhì)集成在硅晶圓上，目前磷化銦、氮化硅、銦鎵砷等材料在硅晶圓上的集成技術(shù)已經(jīng)成熟并實現(xiàn)商業(yè)化。最近，片上集成光源領(lǐng)域有如下一些新的發(fā)展趨勢和方向：

第一，多材料融合光電芯片，即按照集成光子芯片的功能劃分，將相應(yīng)多種半導(dǎo)體材料集成在一個芯片上，可大大提高芯片的功能化和適用性；

第二，針對片上光源多波長輸出的迫切需求，采用光參量振蕩集成的方法，通過微弱泵浦光和微腔中材料的非線性效應(yīng)，在片上實現(xiàn)波長的高效非線性轉(zhuǎn)換；

第三，利用片上光源結(jié)合光頻梳技術(shù)，實現(xiàn)多個頻率激光梳的片上光譜輸出，在光原子鐘和片上精密檢測領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；第四，光量子芯片中的單光子量子源的集成，采用量子點或色心光源實現(xiàn)多功能光量子芯片。

從1947年第一只晶體管問世開始，集成電路技術(shù)極大地推動了科技進步，成為信息社會的重要基石。隨著社會進步和技術(shù)發(fā)展，人們對信息的需求也越來越多，這對集成電路的信息獲取和處理能力提出更高要求。然而，在后摩爾時代，集成電路面臨著不可逾越的電互聯(lián)導(dǎo)致的延時和功耗方面的限制。于是，隨著摩爾定律走向末路，人們提出利用光子作為信息載體替代電子的設(shè)想，即通過光電子和微電子的融合，利用片上光互聯(lián)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電互聯(lián)，實現(xiàn)信息的高速傳輸，同時降低電互聯(lián)的寄生電阻。對于微電子而言，深亞微米下電互聯(lián)存在嚴重的延時和功耗問題，迫切需要引入光電子，利用光互聯(lián)解決電互聯(lián)問題。對于光電子而言，需要借助成熟的微電子加工工藝平臺，實現(xiàn)大規(guī)模、高集成度、高成品率、低成本的批量化生產(chǎn)。

光電集成芯片能在片上完成光子產(chǎn)生、光信息傳輸、處理和探測，在過去10年中已成為學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界最熱門的方向之一。其中，片上集成光源可為光電集成芯片提供相干光源，產(chǎn)生光信息，其性能決定了芯片的應(yīng)用范圍和實現(xiàn)功能。集成片上光源通過一體化設(shè)計和現(xiàn)代半導(dǎo)體加工工藝，相比于傳統(tǒng)的光設(shè)備，在降低尺寸、質(zhì)量、功耗和成本方面優(yōu)勢巨大，同時推動先進光刻技術(shù)、納米制造技術(shù)、微納制造工藝和材料科學發(fā)展的產(chǎn)業(yè)升級。

硅基光電集成芯片技術(shù)是指基于硅材料的光電子芯片設(shè)計、制作與集成技術(shù)。單晶硅憑借其大光學帶寬、強可擴展性、低廉的成本、高效的片上路由和高折射率，成為光子芯片最成熟、廣泛的平臺。硅基光電集成電路（optoelectronic integrated circuit，OEIC）可以與CMOS工藝兼容，借助成熟的微電子加工工藝平臺，可以實現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)，具有低成本、高集成度、高可靠性的優(yōu)勢，是實現(xiàn)光電子和微電子集成、光互聯(lián)的最佳方案。晶圓集成的片上光源技術(shù)在光互聯(lián)和高速光計算領(lǐng)域?qū)⒔o光通信鏈路帶來更高的帶寬密度和速度。此外，在精密測量領(lǐng)域，將實現(xiàn)小型化和低功耗化的特性，將光原子鐘和光譜儀從設(shè)備遷移到芯片上。

在光計算上，利用多波長光梳技術(shù)可實現(xiàn)多波長的并行計算能力，在計算速度上實現(xiàn)多個數(shù)量級的提升。在傳感領(lǐng)域，片上光源技術(shù)將實現(xiàn)并行激光雷達體系，提升采樣速率，降低功耗，實現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)用（如自動駕駛等）的物聯(lián)網(wǎng)高速傳感和處理。

當前，硅基探測器、光調(diào)制器、光開關(guān)、光波導(dǎo)等均已實現(xiàn)突破。但是，片上硅基光源依然缺少成熟方案。硅材料的間接帶隙特性，決定了其發(fā)光效率低下，難以作為有源材料制作高性能發(fā)光器件。如何將光源集成在硅基芯片上是一大難題。近年來，人們從發(fā)光原理、材料、器件結(jié)構(gòu)等多個角度開展了大量硅基光源研究，從早期硅基發(fā)光二極管（light emitting diode，LED），如PN結(jié)發(fā)光、金屬–絕緣層–半導(dǎo)體（metal-isolator-semiconductor，MIS）結(jié)構(gòu)發(fā)光、肖特基結(jié)發(fā)光，到載流子注入硅基雪崩倍增發(fā)光、硅稀土摻雜發(fā)光，硅納米晶體激光器、硅鍺激光器等，發(fā)光效率不斷提高。但這些光源的性能與Ⅲ-Ⅴ激光器相比還有一定的差距。

所以，在集成片上光源未成熟前，工業(yè)界的方案是利用高精度封裝將外部光源與硅光芯片耦合成組件。那么，如何讓性能優(yōu)異的硅基光電子芯片集成具有低功耗、長壽命、大功率等優(yōu)異功能的片上光源呢？

Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體是具有直接帶隙和優(yōu)秀光學、電學性質(zhì)的材料，砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）量子阱和量子點激光器已經(jīng)商用。傳統(tǒng)的Ⅲ-Ⅴ族光源雖然有較高的量子效率，但是與現(xiàn)有的集成電路工藝不兼容。將Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體激光器與硅材料集成在一個硅晶圓上的思路自然而生。保證光源制造工藝兼容現(xiàn)有集成電路工藝一直是該領(lǐng)域的熱點和難點。目前的技術(shù)是通過混合集成（將材料轉(zhuǎn)移至硅晶圓上，如直接放置或晶圓鍵合）或單片集成（直接在硅晶圓上生長材料，如外延生長）將成熟的Ⅲ-Ⅴ族材料激光器引入到硅晶圓上。

混合集成工藝成熟，例如通過晶圓鍵合技術(shù)，人們可將Ⅲ-Ⅴ族材料外延層利用苯并環(huán)丁烯（BCB）輔助黏結(jié)鍵合技術(shù)集成至硅芯片上方，由Ⅲ-Ⅴ族材料產(chǎn)生的光可通過倏逝波耦合的方式進入硅光子回路，完成片上光源與硅光子芯片的混合集成，但其工藝成本較高，難以實現(xiàn)較大規(guī)模的集成。單片集成有望把原生Ⅲ-Ⅴ族材料光子器件的工藝與技術(shù)應(yīng)用于硅光子光源中，得到性能優(yōu)異的片上光源，被認為是硅芯片上光源大規(guī)模生產(chǎn)的終極解決方案。

硅上異質(zhì)外延Ⅲ-Ⅴ族材料技術(shù)面對的問題主要是Ⅲ-Ⅴ族材料與硅間嚴重的晶格失配，這將導(dǎo)致位錯、反相疇等缺陷的產(chǎn)生，嚴重限制Ⅲ-Ⅴ激光器的壽命和性能。位錯缺陷，在生長中可在襯底和有源區(qū)之間加入位錯阻擋層或其他緩沖層結(jié)構(gòu)。而對于反相疇缺陷，采用選區(qū)生長技術(shù)在圖形化的硅襯底上外延Ⅲ-Ⅴ族材料，能夠有效地限制反相疇缺陷對有源區(qū)的影響。與混合集成光源相比，單片集成方案最主要的優(yōu)勢是其能夠與硅光子工藝同步縮小線寬、提高集成度，在大規(guī)模光子集成芯片的研制中有巨大潛力，這也是硅光子技術(shù)的主要發(fā)展方向。

目前磷化銦（InP）、氮化硅（Si3N4）、銦鎵砷（InGaAs）等材料在硅晶圓上的集成技術(shù)已經(jīng)成熟并實現(xiàn)商業(yè)化。此外，具有極低損耗、大透光窗口、優(yōu)秀的非線性效應(yīng)的SiN-on-Si平臺，彌補了Si在低于1100 nm波長時透光窗口截止的缺陷，在AR/VR、度量、生物醫(yī)藥、傳感等領(lǐng)域具有新的應(yīng)用。

“集成片上光源”工程開發(fā)前沿核心專利公開情況見表2.1.1，核心專利2016—2021逐年公開情況見表2.1.2。

“集成片上光源”工程開發(fā)前沿中專利的主要產(chǎn)出國家分布情況見表2.2.3，中國、美國和日本分列前三位。其中，中國的專利公開量優(yōu)勢巨大，是第二名美國的三倍多，反映出中國在國家戰(zhàn)略中將片上集成光源領(lǐng)域列為優(yōu)先發(fā)展方向，在該領(lǐng)域涉及的材料、物理、光電子學、精密制造等細分領(lǐng)域取得長足進步。但專利的平均被引頻次只及美國的三分之一，反映出中國在原創(chuàng)專利方面還有很多不足。

在國家合作方面（圖2.2.3），美國作為集成片上光源領(lǐng)域原創(chuàng)技術(shù)最多的國家，與韓國、英國和澳大利亞有著緊密合作。這幾個國家在片上集成光源領(lǐng)域分工比較明確，技術(shù)優(yōu)勢可以實現(xiàn)互補。在排名前列的主要機構(gòu)合作方面，各機構(gòu)之間合作不緊密，表明目前該領(lǐng)域競爭非常激烈，頭部機構(gòu)非常注意保護自己的原創(chuàng)技術(shù)。具體來說，美國制造集成光子研究所（AIM Photonics）、英特爾公司和惠普實驗室，擁有多條高水平硅光工藝線，具備從硅光芯片設(shè)計培訓到制造封裝的全流程能力。例如，2016年，英特爾公司公布了第一個商業(yè)化硅基異質(zhì)集成產(chǎn)品，實現(xiàn)了InP激光器與Si高速Mach-Zehnder干涉儀的單片集成，實現(xiàn)100 Gbps收發(fā)器產(chǎn)品系列，英特爾公司的成果和其垂直整合的商業(yè)模式已證明硅基異質(zhì)集成的技術(shù)可行性。

中國在科研和產(chǎn)業(yè)化水平上同國外差距逐步縮小，在硅光集成領(lǐng)域，中國目前有聯(lián)合微電子中心有限責任公司（CUMEC）、中國科學院微電子研究所（IMECAS）和上海微技術(shù)工業(yè)研究院（SITRI）的硅光平臺具有芯片加工能力，例如CUMEC基于自主工藝平臺實現(xiàn)了硅基窄線寬激光器，波長調(diào)諧范圍1520~1580 nm，功率大于10 dBm，線寬小于100 kHz，具備低相位噪聲、高集成度、成本低等特點，在基于相干檢測的硅光雷達、高速相干光通信模塊、氣體檢測、光纖傳感方面有較廣泛的應(yīng)用前景。科研機構(gòu)方面，北京大學、浙江大學、上海交通大學、中國科學院半導(dǎo)體研究所等單位在片上光源頻率梳、多材料融合芯片等方面做了大量前沿工作（表2.2.4）。

集成片上光源領(lǐng)域有如下一些新的發(fā)展趨勢和方向（圖2.2.4）：

第一，多材料體系融合光電芯片，實現(xiàn)Ⅲ-Ⅴ族化合物、氮化硅、二氧化硅、聚合物、鈮酸鋰、鋁鉀砷和磷化銦等材料在硅晶圓上的集成工藝技術(shù)開發(fā)，目標能涵蓋可見光、近紅外、中紅外、太赫茲等頻段。使用的方法包括轉(zhuǎn)移印刷工藝，基于可逆黏附技術(shù)，將數(shù)千個由不同材料制成的設(shè)備集成到一個晶圓上。多材料集成打造硅/先進光電材料（Ⅲ-Ⅴ、LiNbO3等）混合集成工藝平臺。

第二，針對片上光源多波長輸出的迫切需求，開發(fā)納米級光參量振蕩器（optical parametric oscillator，OPO）硅基芯片級光源，通過微弱泵浦光和微腔中材料的非線性效應(yīng)，在片上實現(xiàn)波長的高效非線性轉(zhuǎn)換，得到傳統(tǒng)硅基芯片技術(shù)難以實現(xiàn)的波長輸出，在基于芯片的原子鐘或便攜式生化分析器件領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

第三，將片上半導(dǎo)體鎖模激光器與集成非線性光頻梳器件結(jié)合起來，實現(xiàn)化合物半導(dǎo)體、氮化硅、鈮酸鋰等材料和硅晶圓的單片集成和混合集成并實現(xiàn)量產(chǎn)，達到低功耗和窄線寬超短光脈沖，提供數(shù)百條等距且相干的激光線，能精確對應(yīng)梳齒線的頻率間隔，不僅可以制造光原子鐘以精確測量時間，也可以讓光纖通信各通道之間的干擾減少，使單根光纖傳輸?shù)?a target="_blank">信號量增加幾個數(shù)量級，在氣體成分分析、全球定位系統(tǒng)（GPS）、天體觀測、激光雷達等技術(shù)上也有廣泛應(yīng)用。目前可以實現(xiàn)最小線寬達到140 Hz的窄線寬外腔激光器、梳齒寬度為12 nm的量子點激光梳。

第四，量子點激光器。量子點（quantum dot，QD）的離散分布特點使基于量子點的激光器具有更好的溫度特性和更低的閾值電流。例如，膠質(zhì)量子點采用簡單的無模板自組裝方法可制備諧振腔，砷化銦量子點作為增益介質(zhì)，可外延生長GaAs襯底。在光泵浦作用下，實現(xiàn)微納片上激光器。此外，集成光量子芯片中的片上糾纏光源可通過集成半導(dǎo)體高品質(zhì)量子點、金剛石色心和二維材料缺陷態(tài)等實現(xiàn)，未來的可能方向為對自組裝量子點的偏振糾纏光子對的混合集成片上量子光源的研究。目前最好的按需單光子和糾纏光子量子點源發(fā)射的能量大大高于硅帶隙，所以需要混合Ⅲ-Ⅴ集成技術(shù)。

片上集成光源一個典型的應(yīng)用場景是激光雷達。目前的激光雷達體積和質(zhì)量較大、功耗和成本較高，未來趨勢是利用光子集成芯片代替目前由分立光學元件搭建的激光雷達，可大大減小體積和質(zhì)量，功耗和成本也大幅降低。這可通過集成片上光源經(jīng)過光互聯(lián)，片上光信號與光開關(guān)進行路由，實現(xiàn)光子的芯片層面的發(fā)射和接收一體化，將光源和鍺硅光電探測器集成在一個芯片中。利用該芯片實現(xiàn)對不同距離目標的相干檢測，實現(xiàn)相干激光雷達的掃描和測距功能。

片上集成光源另一個應(yīng)用場景是傳感。為了實現(xiàn)片上集成的光學傳感檢測，需要將光源、光探測單元與光傳感單元進行片上集成來獲得片上直接輸出傳感信號的能力，實現(xiàn)完全的片上集成檢測芯片，異質(zhì)外延、轉(zhuǎn)印、鍵合等多材料集成技術(shù)被開發(fā)出來以實現(xiàn)光源、光傳感、光探測的單片集成。目前，波導(dǎo)型片上集成光學傳感檢測芯片的折射率傳感檢測限達到10?6RIU量級，氣體檢測限達到ppb（10?9）量級，對化學分子和生物分子的檢測也達到pg/mm2量級，展示了良好的應(yīng)用潛力。該芯片還可以方便地集成到手機、無人機等平臺，實現(xiàn)便攜式應(yīng)用，并通過大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)功能強大的現(xiàn)場檢測。此外，在光通信領(lǐng)域，富士通實驗室的Tanaka等設(shè)計了一種無需溫度控制的硅光子發(fā)射機芯片，采用高精度倒裝焊設(shè)備將Ⅲ-Ⅴ族材料半導(dǎo)體光放大器（semiconductor optical amplifier，SOA）集成在SOI襯底上，與波導(dǎo)端面對準，和SOI波導(dǎo)一起構(gòu)成混合集成激光器。