隨著后摩爾時(shí)代的到來(lái)，集成電路正向著集成光子芯片的方向過(guò)渡，目的是實(shí)現(xiàn)光子產(chǎn)生以及超高速傳輸、處理和探測(cè)。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(qiáng)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(jiàn)光和紅外光；另一種方法是將Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體激光器通過(guò)晶圓鍵合或外延生長(zhǎng)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(shí)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(shì)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(gè)芯片上，可大大提高芯片的功能化和適用性；

第二，針對(duì)片上光源多波長(zhǎng)輸出的迫切需求，采用光參量振蕩集成的方法，通過(guò)微弱泵浦光和微腔中材料的非線性效應(yīng)，在片上實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)多個(gè)頻率激光梳的片上光譜輸出，在光原子鐘和片上精密檢測(cè)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(diǎn)或色心光源實(shí)現(xiàn)多功能光量子芯片。

從1947年第一只晶體管問(wèn)世開(kāi)始，集成電路技術(shù)極大地推動(dòng)了科技進(jìn)步，成為信息社會(huì)的重要基石。隨著社會(huì)進(jìn)步和技術(shù)發(fā)展，人們對(duì)信息的需求也越來(lái)越多，這對(duì)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(shí)代，集成電路面臨著不可逾越的電互聯(lián)導(dǎo)致的延時(shí)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(guò)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(shí)現(xiàn)信息的高速傳輸，同時(shí)降低電互聯(lián)的寄生電阻。對(duì)于微電子而言，深亞微米下電互聯(lián)存在嚴(yán)重的延時(shí)和功耗問(wèn)題，迫切需要引入光電子，利用光互聯(lián)解決電互聯(lián)問(wèn)題。對(duì)于光電子而言，需要借助成熟的微電子加工工藝平臺(tái)，實(shí)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(cè)，在過(guò)去10年中已成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界最熱門(mén)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(shí)現(xiàn)功能。集成片上光源通過(guò)一體化設(shè)計(jì)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(shì)巨大，同時(shí)推動(dòng)先進(jìn)光刻技術(shù)、納米制造技術(shù)、微納制造工藝和材料科學(xué)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

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(jì)、制作與集成技術(shù)。單晶硅憑借其大光學(xué)帶寬、強(qiáng)可擴(kuò)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(tái)。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(tái)，可以實(shí)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(shì)，是實(shí)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(jì)算領(lǐng)域?qū)⒔o光通信鏈路帶來(lái)更高的帶寬密度和速度。此外，在精密測(cè)量領(lǐng)域，將實(shí)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(jì)算上，利用多波長(zhǎng)光梳技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)的并行計(jì)算能力，在計(jì)算速度上實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。在傳感領(lǐng)域，片上光源技術(shù)將實(shí)現(xiàn)并行激光雷達(dá)體系，提升采樣速率，降低功耗，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)用（如自動(dòng)駕駛等）的物聯(lián)網(wǎng)高速傳感和處理。

當(dāng)前，硅基探測(cè)器、光調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)、光波導(dǎo)等均已實(shí)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(lái)，人們從發(fā)光原理、材料、器件結(jié)構(gòu)等多個(gè)角度開(kāi)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(zhǎng)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(xué)、電學(xué)性質(zhì)的材料，砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）量子阱和量子點(diǎn)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(gè)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(diǎn)和難點(diǎn)。目前的技術(shù)是通過(guò)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(zhǎng)材料，如外延生長(zhǎng)）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(guò)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(guò)倏逝波耦合的方式進(jìn)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(shí)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(rèn)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(duì)的問(wèn)題主要是Ⅲ-Ⅴ族材料與硅間嚴(yán)重的晶格失配，這將導(dǎo)致位錯(cuò)、反相疇等缺陷的產(chǎn)生，嚴(yán)重限制Ⅲ-Ⅴ激光器的壽命和性能。位錯(cuò)缺陷，在生長(zhǎng)中可在襯底和有源區(qū)之間加入位錯(cuò)阻擋層或其他緩沖層結(jié)構(gòu)。而對(duì)于反相疇缺陷，采用選區(qū)生長(zhǎng)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(duì)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(shì)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(shí)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(tái)，彌補(bǔ)了Si在低于1100 nm波長(zhǎng)時(shí)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(kāi)發(fā)前沿核心專(zhuān)利公開(kāi)情況見(jiàn)表2.1.1，核心專(zhuān)利2016—2021逐年公開(kāi)情況見(jiàn)表2.1.2。

“集成片上光源”工程開(kāi)發(fā)前沿中專(zhuān)利的主要產(chǎn)出國(guó)家分布情況見(jiàn)表2.2.3，中國(guó)、美國(guó)和日本分列前三位。其中，中國(guó)的專(zhuān)利公開(kāi)量?jī)?yōu)勢(shì)巨大，是第二名美國(guó)的三倍多，反映出中國(guó)在國(guó)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(xué)、精密制造等細(xì)分領(lǐng)域取得長(zhǎng)足進(jìn)步。但專(zhuān)利的平均被引頻次只及美國(guó)的三分之一，反映出中國(guó)在原創(chuàng)專(zhuān)利方面還有很多不足。

在國(guó)家合作方面（圖2.2.3），美國(guó)作為集成片上光源領(lǐng)域原創(chuàng)技術(shù)最多的國(guó)家，與韓國(guó)、英國(guó)和澳大利亞有著緊密合作。這幾個(gè)國(guó)家在片上集成光源領(lǐng)域分工比較明確，技術(shù)優(yōu)勢(shì)可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。在排名前列的主要機(jī)構(gòu)合作方面，各機(jī)構(gòu)之間合作不緊密，表明目前該領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，頭部機(jī)構(gòu)非常注意保護(hù)自己的原創(chuàng)技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)，美國(guó)制造集成光子研究所（AIM Photonics）、英特爾公司和惠普實(shí)驗(yàn)室，擁有多條高水平硅光工藝線，具備從硅光芯片設(shè)計(jì)培訓(xùn)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(gè)商業(yè)化硅基異質(zhì)集成產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了InP激光器與Si高速M(fèi)ach-Zehnder干涉儀的單片集成，實(shí)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(guó)在科研和產(chǎn)業(yè)化水平上同國(guó)外差距逐步縮小，在硅光集成領(lǐng)域，中國(guó)目前有聯(lián)合微電子中心有限責(zé)任公司（CUMEC）、中國(guó)科學(xué)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(tái)具有芯片加工能力，例如CUMEC基于自主工藝平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了硅基窄線寬激光器，波長(zhǎng)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(diǎn)，在基于相干檢測(cè)的硅光雷達(dá)、高速相干光通信模塊、氣體檢測(cè)、光纖傳感方面有較廣泛的應(yīng)用前景。科研機(jī)構(gòu)方面，北京大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)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(shì)和方向（圖2.2.4）：

第一，多材料體系融合光電芯片，實(shí)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(kāi)發(fā)，目標(biāo)能涵蓋可見(jiàn)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(gè)由不同材料制成的設(shè)備集成到一個(gè)晶圓上。多材料集成打造硅/先進(jìn)光電材料（Ⅲ-Ⅴ、LiNbO3等）混合集成工藝平臺(tái)。

第二，針對(duì)片上光源多波長(zhǎng)輸出的迫切需求，開(kāi)發(fā)納米級(jí)光參量振蕩器（optical parametric oscillator，OPO）硅基芯片級(jí)光源，通過(guò)微弱泵浦光和微腔中材料的非線性效應(yīng)，在片上實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的高效非線性轉(zhuǎn)換，得到傳統(tǒng)硅基芯片技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的波長(zhǎng)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(lái)，實(shí)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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，達(dá)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(duì)應(yīng)梳齒線的頻率間隔，不僅可以制造光原子鐘以精確測(cè)量時(shí)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(hào)量增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，在氣體成分分析、全球定位系統(tǒng)（GPS）、天體觀測(cè)、激光雷達(dá)等技術(shù)上也有廣泛應(yīng)用。目前可以實(shí)現(xiàn)最小線寬達(dá)到140 Hz的窄線寬外腔激光器、梳齒寬度為12 nm的量子點(diǎn)激光梳。

第四，量子點(diǎn)激光器。量子點(diǎn)（quantum dot，QD）的離散分布特點(diǎn)使基于量子點(diǎn)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(diǎn)采用簡(jiǎn)單的無(wú)模板自組裝方法可制備諧振腔，砷化銦量子點(diǎn)作為增益介質(zhì)，可外延生長(zhǎng)GaAs襯底。在光泵浦作用下，實(shí)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(guò)集成半導(dǎo)體高品質(zhì)量子點(diǎn)、金剛石色心和二維材料缺陷態(tài)等實(shí)現(xiàn)，未來(lái)的可能方向?yàn)閷?duì)自組裝量子點(diǎn)的偏振糾纏光子對(duì)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(diǎn)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(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景是激光雷達(dá)。目前的激光雷達(dá)體積和質(zhì)量較大、功耗和成本較高，未來(lái)趨勢(shì)是利用光子集成芯片代替目前由分立光學(xué)元件搭建的激光雷達(dá)，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(guò)集成片上光源經(jīng)過(guò)光互聯(lián)，片上光信號(hào)與光開(kāi)關(guān)進(jìn)行路由，實(shí)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(cè)器集成在一個(gè)芯片中。利用該芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)不同距離目標(biāo)的相干檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)相干激光雷達(dá)的掃描和測(cè)距功能。

片上集成光源另一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景是傳感。為了實(shí)現(xiàn)片上集成的光學(xué)傳感檢測(cè)，需要將光源、光探測(cè)單元與光傳感單元進(jìn)行片上集成來(lái)獲得片上直接輸出傳感信號(hào)的能力，實(shí)現(xiàn)完全的片上集成檢測(cè)芯片，異質(zhì)外延、轉(zhuǎn)印、鍵合等多材料集成技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)以實(shí)現(xiàn)光源、光傳感、光探測(cè)的單片集成。目前，波導(dǎo)型片上集成光學(xué)傳感檢測(cè)芯片的折射率傳感檢測(cè)限達(dá)到10?6RIU量級(jí)，氣體檢測(cè)限達(dá)到ppb（10?9）量級(jí)，對(duì)化學(xué)分子和生物分子的檢測(cè)也達(dá)到pg/mm2量級(jí)，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(jī)、無(wú)人機(jī)等平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)便攜式應(yīng)用，并通過(guò)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。此外，在光通信領(lǐng)域，富士通實(shí)驗(yàn)室的Tanaka等設(shè)計(jì)了一種無(wú)需溫度控制的硅光子發(fā)射機(jī)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(duì)準(zhǔn)，和SOI波導(dǎo)一起構(gòu)成混合集成激光器。