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4.2 制造容差分析 26
结 论 . 27
致 谢 . 28
参 考 文 献 . 29
1 绪论
21 世纪是一个高度信息化的时代，随着人们对于信息传输带宽、处理速度以及数
据容量的要求不断提高，基于导线或无线传输的电学系统越来越显得力不从心：通信
系统中的电互连虽然结构简单、成本低廉，但受限于带宽和损耗，难以实现高速、远
距离传输；计算机系统主频的增加使得电磁损耗急剧增加，各种分布参数效应恶化系
统性能；电学系统与生俱来的热效应导致了降低能耗、改善散热、避免温度效应等一
系列棘手的问题……。正是由于电学系统的种种不便，具有高带宽、低损耗、抗电磁
干扰、高速并行等特性的光学信息系统受到了人们的重视并逐渐发展起来。从应用于
光纤到户（FTTH）的无源光网络（PON）到面向个人计算机的光接口（LightPeak） [1]
，
从具有环境感知能力的光学传感器再到1900 年发明的世界上第一台全光处理器[2]
， 各
种光链路应运而生。
1.1 光集成与硅光子学
光学信息系统在某种程度上正经历着与电学系统类似的发展历程，比如传统的光
链路和早期电路一样采用分立元件进行信号的传输，一个典型的点对点光纤通信系统
就需要由光源、光调制器、光纤、无源光器件、光探测器等器件构成。然而随着研究
的深入与应用的推广，分立光器件的缺陷日益显现，复杂功能系统的实现要求光学信
息系统向着小型化、集成化的方向发展。就光链路而言，单片集成不仅克服了分立器
件体积大、对准调校困难、稳定性差，因材料、工艺、结构不同而难以兼容的缺点，
而且还有助于提高产量、减少封装次数和光纤接口，因而能削减成本，实现更复杂的
系统。因此，光集成技术是未来光器件的主流发展方向，它的发展具有重要的意义和
良好的前景。
目前，摩尔定律引导的微电子技术已将单个晶体管的尺寸缩小到了22nm[3]
。然而，
典型集成光波导（如 SiO2-on-Si 掩埋型方形光波导）的横向尺寸一般仍在微米（几个
波长）量级，这严重影响了光子器件的集成度，并导致光子器件的制作成本相对较高
[4]
。不过可喜的是，Smit 教授通过回顾光集成的发展历程发现了类似的光集成领域的
摩尔定律（见图 1. 1），他指出：未来二十年，将会实现光子大规模集成[5]
。
与集成电路相似，将激光器、调制器、探测器等有源器件集成在同一衬底上，并
用光波导、隔离器、耦合器等无源器件连接起来构成的微型光学系统称为集成光路
（Photonic Integrated Circuit，PIC）。如果同时与电子器件集成，则构成光电子集成回
路（Optical-Electronic Integrated Circuit，OEIC）。其实，早在 1969 年，贝尔实验室的
Miller 就提出了集成光学（Integrated Optics）的概念[6]
。随后， Somekh和 Yariv于 1972
年进一步提出了在同一个半导体衬底上集成光器件和电子器件的构想[7]
。
图 1. 1 光集成摩尔定律[5]
不过，与集成电路不同，多年的发展并没有使光集成统一到一个平台上，而是分
裂成了多个使用不同材料的小体系。各体系使用的基底材料及导光介质主要有铌酸锂
材料（LiNbO3）、InP基 III/V族材料、硅基二氧化硅材料（SiO2-on-Si）、硅基绝缘硅
材料（Silicon-On-Insulator，SOI）及有机高分子材料。这些体系各有所长[4, 8]
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