PIC技术分类有哪些

来源:中国传动网

首先,从功能的角度考虑,可以将PIC分为如下两类。

① 无源PIC,也称为全光PIC,这种PIC所集成的器件全部是无源光器件,比如光滤波器、光复用/解复用器以及可调光衰减器等,普遍采用平面光波导(Planar Lightwave CircuitPLC)技术,发展相对成熟。

② 有源PIC,或称之为光电PIC,这种PIC可以集成诸如激光器、调制器、PIN探测器以及光放大器等有源光器件,同时还可以集成光滤波器、可调衰减器等无源光器件。由于有源PIC往往涉及不同材料的光器件的集成,实现难度较大。因此有源PIC一直到2004年才取得重大突破,将数十个有源与无源光器件集成在一个芯片上,并成功实现了商用。

PIC

其次,从PIC的集成度可以将PIC分成以下3类。

① 小规模PIC:通常是指单片集成的功能元器件数量在10个以内的PIC,如集成了调制器的激光器、光收发一体模块等。小规模的PIC产品已经成熟并取得了广泛的商用。JDSUBookham等业界主流厂家均有成熟的相关产品。

② 中等规模PIC:单片集成的功能元器件数量在1050个。除了可以是几种功能元器件的集成之外,还可以是多个波道的并行集成。中等规模的PIC商用产品基本都是集成了无源光器件,还没有中等规模有源PIC商品的报道。

③ 大规模PIC:单片集成的功能元器件大于50个,通常意味着对每个波长都集成若干个功能模块,同时实现多个波长的并行集成,比如每个PIC集成10个或者以上的波长信道。已经成熟商用的大规模PIC只有InfineraPIC产品,图8-19给出了一种10×10Gbit/s光发送PIC的结构及实物图。它集成了10个波长信道,每个波长信道均实现了激光器、调制器、可调衰减器等器件的集成。大规模PIC能够最大程度地实现光子集成,从长远发展来看,大规模PIC是未来光子集成的发展方向。

        根据PIC的基底材料进行分类。现有PIC所采用的基底材料主要包括磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)、铌酸锂(LiNbO3)、硅以及二氧化硅。首先,硅/二氧化硅是生产电子集成电路所用的基础材料,其价格便宜并且性能稳定,加工工艺简单成熟,成品率高,非常适合规模化生产。但是硅基材料在PIC中应用时却有3个致命的缺点:一是激光发射效率很低,硅基激光器非常难以实现;二是硅基材料不能够检测到1310nm1550nm波长的光,而这两个波段正是光通信所采用的波段;三是由于硅基材料本身的限制,无法实现电光调制。虽然有很多的研究机构一直致力于硅基有源光器件的研究,并力争有所突破,Intel等研究机构也取得了令人瞩目的研究成果,硅基材料主要应用于无源PIC(如阵列波导光栅(AWG)等),采用硅基材料的混合集成大规模PIC已经取得一定进展。其次是铌酸锂晶体,铌酸锂晶体主要用于制作高性能的电光调制器,其调制带宽高,调制线性度好,受到了广泛应用。但是铌酸锂晶体不能实现激光激射,也不能作为光探测器,同时,其加工处理工艺也非常复杂,因此对于大规模PIC来说,铌酸锂晶体并没有实际应用的价值。虽然有源光电器件能够在砷化镓材料中实现,但是砷化镓材料的本征带隙决定了它只能够在波长为850nm的范围内工作,因此,采用砷化镓材料的有源光器件仅适用于局域网,对于长距离、大容量的WDM传输系统来说,其应用受到很大限制。仅有磷化铟材料能够同时集成有源与无源光器件,并且保证其工作波长为目前光通信广泛使用的1310nm1550nm波段,同时可以利用成熟的标准化半导体生产工艺实现大规模生产,便于节约成本。利用磷化铟材料,可以同时实现激光发射、探测、光放大以及电光调制,也可以实现波长复用/解复用、可调光衰减器、光开关以及色散补偿,因此,这就使得通过磷化铟材料实现大规模单片PIC成为可能。已经商用的Infinera大规模PIC采用的就是磷化铟材料。

        最后,与划分电子集成电路一样,还可以将PIC分为单片集成PIC和混合集成PIC。混合集成PIC指的是将不同的单个功能的光器件集成在一个器件中。许多常见的光器件都利用混合集成的技术来实现,然而由于材料自身的特性,有源与无源光器件所使用的最佳材料并不一致,各方面物理特性(比如膨胀系数等)以及封装要求也会有所差别,这样就使得集成多个分立的元器件并保证器件性能变得非常复杂,尤其是在实现大规模PIC时这个问题更为突出。相比而言,单片集成的PIC通过一种材料实现各种有源、无源的光器件,因此,不会存在各种不同材料之间适配的问题。单片PIC无论是在节能还是在可靠性等方面,相比混合式PIC都具有明显的优势。

        从上面的分析也可以看出,PIC的关键技术主要包括以下几个方面:一是采用何种材料以及何种工艺来实现PIC;二是不同的光器件往往使用不同的衬底材料,如何将不同材料的光器件实现集成,或者如何在同一衬底材料上实现所有的光器件功能;三是如何提高PIC的大规模生产能力,这将是降低PIC成本和实现大规模应用的关键。


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