一文了解光通信及硅基收发芯片技术

本文介绍了光通信及硅基收发芯片技术。

一、光通信技术发展

自21世纪以来，全球信息化进程不断加快，越来越多的智能化系统在人们生活以及工作中扮演不可或缺的作用，诸如智能手机，智能家居，智能自动驾驶；在这些设备提供便利的同时，也带来了巨大的信息交换和传输需求。

然而，传统的电子电路在应对复杂场景下的高效信息处理和传输方面逐渐显现出瓶颈，单纯的电子电路已经远远不能满足各类复杂场景的高效信息交换。与此同时，光子由于其传输的特殊性，能够实现高速、远距离和高容量的数据传输。因此，将光子学与电子学在单一平台上的结合以实现各种复杂的功能将为社会进步带来革命性的变革。

在这场变革中，具有代表性的是无人驾驶，无人机，无人舰艇等各种无人操作系统。这些无人设备是光子学与电子学结合的典型应用，其核心工作流程一般包括以下几个主要步骤：感知、决策、控制和反馈。

毫无疑问，精准的感知能力是实现一切其他功能的前提。因此，对传感技术的研究成为关键领域，特别是摄像头、雷达和激光雷达等传感技术的发展备受关注。

在一系列传感技术中，激光雷达（LiDAR，Light Detection and Ranging）因其能够提供相对远程和高精度的三维成像一度成为研究热门。

与传统雷达相比，激光雷达可以提供更高的分辨率，轻松区分人类和其他物体的细微特征。与相机系统相比，激光雷达提供了额外的3D测距和运动检测功能，且能够在白天和夜间均保持高效运行。

传统激光雷达主要以大量机械结构的协同合作实现光束的扫描进而感知信号。然而，这种方案存在诸多问题，例如结构复杂，体积较大，成本较高以及机械机构不可避免地磨损造成的低可靠性等。

为此，寻找一种高效、低成本的替代方案成为技术发展的方向。

在这一背景下，脱胎于微波相控阵的光学相控阵（OPA）的扫描技术应运而生，它能够通过对光波的相位控制来实现光束的操纵和调制，进而大幅减少或者避免大量机械结构的使用。

在早期研究过程中，基于一系列相位调制技术衍生出大量的研究方向，例如液晶光学相控阵，光纤光学相控阵，光波导光学相控阵等。

这些研究方向的探索，为光学相控阵在微型化、低成本和高性能方面奠定了基础。近年来，随着微电子技术和纳米制造技术的进步，硅光子学技术得到了快速发展。

与此同时，集成电路技术的成熟和摩尔定律的推动，使得将光学器件集成到硅基芯片上的设想逐渐成为现实。利用硅光子学能够将光学器件与电子器件集成在同一硅基芯片上，实现高集成度和小型化。

二、硅基光学相控阵研究进展

硅基光学相控阵技术主要依托SOI平台，通过一系列功能器件的协同工作，实现对光束的精准控制。

作为一种能够大幅提高光学系统性能的关键技术，其研究重点包括提高系统集成度、提升光束控制精度、扩展远场扫描范围以及降低系统传输损耗等方面。

这些技术突破不仅关乎光学相控阵在各类应用场景中的性能表现，也直接决定了其大规模商业化的可行性和竞争力。

随着需求的多样化，硅基光学相控阵已经在多个领域得到了广泛的关注和应用，尤其是在光通信、雷达、传感器以及成像系统等高精度、高效率的技术场景中。

针对不同的应用需求，硅基光学相控阵的发展主要集中在三个方向：

一维天线阵列、二维天线阵列，以及一些特殊设计的光束控制阵列结构。

首先，一维天线阵列作为最简单的阵列结构，其设计和实现相对较为容易，因此在硅基光学相控阵研究中占据了较为重要的地位。由于一维阵列的结构较为简洁，阵列中单元的间距可以较为灵活地调整，且阵列的扫描精度和范围可以通过精确的设计得到较好的控制。目前，基于硅基材料的一维光学相控阵已经可以实现超过100°的扫描范围，并且扫描精度可以达到0.03°，这使得其在许多实际应用中表现出色。

然而，随着对高速成像、远距离传输等新兴需求的提出，研究者们对一维阵列的探索逐步从传统的光束扫描向更高速度、更低功耗以及多功能的方向发展。尽管如此，一维阵列依旧存在着一些挑战，尤其是在阵列规模扩大后，如何保证高精度和高效率的同步实现。

相比之下，二维天线阵列因其结构复杂性和更高的自由度，在理论上能够提供更广泛的扫描范围和更精细的控制，但其实现的难度也显著增加。

二维阵列通常需要更紧密的单元排列，这样虽然可以提高扫描精度和阵列的分辨率，但也带来了阵列内部相位控制和布局规划上的技术瓶颈。当前的研究表明，二维阵列的扫描角度通常难以突破10°，这使得二维阵列在实际应用中，尤其是在需要更大扫描角度的场合，难以达到理想的性能。

这一限制主要源自于阵列单元之间的间距和相位控制精度的不足。因此，为了突破一维和二维阵列的技术瓶颈，近年来，研究者们提出了多种新型光束控制方案，这些方案脱胎于光学相控阵的基本原理，但通过创新的设计理念，旨在克服传统阵列结构的局限性。这些特殊设计的光束控制阵列不仅能够实现更大范围的光束扫描，还在高效率、高精度的要求下提供了更为灵活和稳定的解决方案。

总的来说，尽管一维和二维阵列各自存在一定的技术瓶颈，但随着新型光束控制方案的不断发展，硅基光学相控阵技术的应用前景仍然非常广阔。未来的研究将更加注重在提高阵列精度、扩展扫描角度、优化阵列效率等方面的综合突破，以满足不断增长的高精度、高效率光学扫描需求。

三、硅基光学相控阵整体结构组成

硅基光学相控阵技术起源于微波相控阵技术，但两者之间存在显著差异，主要体现在工作波长的不同。

硅基光学相控阵的目标波长位于近红外波段（通常为1.55μm左右），这使得在设计和实现过程中需要根据衍射理论进行更精确的考虑。由于波长的减小，相比于微波系统，硅基光学相控阵对器件的集成度要求更高。这是因为光波的短波长意味着光束调控的分辨率和精度需要大幅提升，而这直接影响了阵列中器件的尺寸、间距及其集成复杂度。

从整体结构来看，硅基光学相控阵的组成可以分为两大部分：光学元件和电路控制部分。光学部分的核心在于通过合理的器件排布和设计，实现对光信号的精确分配与调控。这包括光束的生成、相位调制、光波的合成与干涉等关键过程，以最终实现对光束的方向、形状及强度的高精度控制。

由于光波的波长较短，光学元件的排布和设计需要特别关注器件之间的间距和相互干扰，确保光波的相干性和控制的准确性。与此同时，电路控制部分则主要负责通过调控各路径上光信号的相位变化，进而实现远场光束的指向控制和光束成形。这部分的任务是通过集成电路系统，协调不同光学通道的相位差，进而控制各光束的相干叠加，实现对远场光束方向、角度及形态的灵活调整。综合来看，硅基光学相控阵系统的成功实现依赖于光学元件和电路控制的高度协同。

四、硅基光电集成理论

光电集成（Photonic Integrated Circuits, PICs）是将光学元件与电子元件集成在同一芯片上，以实现光信号的生成、传输、调制、检测等功能的技术。其核心思想是通过将光学元件（如光源、光波导、调制器、探测器等）与电子控制电路结合在一个芯片平台上，形成高度集成的光电混合系统。在这种系统中，光子器件用于传递和处理信息，而电子器件负责驱动、控制和处理光电转换后的电信号。

光电集成不仅可以提高系统的性能，还能大幅减少器件的体积、功耗和制造成本。光电集成的主要特点在于，首先由于光子的传输速度远高于电子，因此该系统能支持更高的带宽，提供远超传统电子电路的高速信息传输能力；其次，相比电子电路，光信号在介质中的传播损耗较低，因此光电集成系统在高速传输过程中能耗较低，适合需要长距离低损耗传输的应用；同时，光电集成器件通过微米级甚至纳米级的制造工艺，将多个光学器件集成到单个芯片上，大大减小了系统的体积，并提高了系统的集成度和稳定性；此外，光信号不受电磁干扰，因此在恶劣环境或高频、高功率应用场景中，光电集成系统能保持较高的可靠性。

光电集成的工作原理基于将光学信号通过芯片内的各种功能模块进行处理和传输，以完成数据的高速传递与处理。

主要工作流程包括以下步骤：

1. 光信号生成：光电集成芯片通过内部或外部激光源产生光信号，通常工作在红外波段，尤其是1.3 μm和1.55 μm波段。

2. 光信号调制：电信号输入到调制器后，调制器通过电场、自由载流子效应或热效应改变光的相位或振幅，从而将电信号编码到光信号中，完成光信号的调制。

3. 光信号传输：被调制的光信号通过光波导传输到其他模块。光波导通过全内反射引导光信号在芯片内传输，这一过程效率极高且损耗很低。

4. 光信号分配与合成：通过光分束器、耦合器等器件，光信号可以在不同的路径上被分配或合成，实现多路数据的同时传输。

5. 光信号检测与转换：光信号通过光探测器被转换为电信号，供后续的电子电路进行处理。

总体而言，光电集成技术通过将光子学和电子学结合，实现了高速、低功耗的信号处理和传输。它为现代信息技术提供了新一代的解决方案，在光通信、计算、传感等领域展现出巨大的应用潜力。

随着制造工艺的不断改进和新材料的引入，光电集成技术有望进一步推动信息时代的发展。

五、收发一体化光学相控阵集成方案

收发一体化光学相控阵是一种集成了光发射与光接收功能的相控阵系统，与传统的分离式光学系统不同，收发一体化结构在同一芯片上实现了光信号的发射、接收、相位调控以及波束控制，具有更高的集成度、灵活性和性能。

该系统的实现依赖于多个光学器件和集成电路的协同工作，其核心组成部分如图所示。

主要包括以下几类：

1. 光源：目标波长为1550 nm，由于硅材料自身不具有有效的发光能力，因此通常通过外部激光器或异质集成的方式提供光源。

2. 耦合系统：外部光源往往通过光纤耦合进入波导，但是由于尺寸差异过大，因此一般通过水平边缘耦合器或者垂直光栅耦合器进行耦合。

3. 分束系统：光学相控阵系统功能需要多路径光束进行干涉，因此需要 MMI，Y分支，或者定向耦合器等信号分配器件对光信号进行均匀分配。

4. 相位调制系统：往往与电路控制模块集成工作，主要采用金属加热型移相器，通过电信号控制金属产热，进而加热硅波导，以实现对光信号相位和强度的精确调整。

5. 天线阵列：在发射模式下，通过一系列阵列排布的辐射单元将波导内的光信号辐射到自由空间进行干涉，或者在接收模式下收集外部光信号到芯片内部。

6. 光探测器：通过片上或者片外光电探测器（如PIN光电二极管或雪崩光电二极管APD）将光信号转换为电信号进行信息处理。

在设计过程中需要考虑多个核心因素和优化指标，确保系统的功能性和性能能够满足应用需求，具体介绍如下：

1. 阵列布局：根据设计需求选择一维或二维结构布局，一维结构相对简单，但是想要实现二维扫描需要增加波长调谐，对激光器要求较高。二维结构往往较为复杂，但是能够利用相位调制实现二维扫描。

2. 阵列尺寸：阵列尺寸决定了远场光束的形成精度和分辨率。较大的阵列尺寸能够提供更好的方向性控制和更窄的光束。

3. 单元间距：单元间距决定了阵列远场扫描角度以及远场干涉场分布。单元间距过大，远场扫描中会产生多余的副瓣或干涉现象，影响主光束的纯净度，较小的单元间距可以实现更大的扫描角度范围，但过小的间距可能导致制作难度增加和相邻通道之间的串扰。

4. 损耗与效率：阵列传输过程中任何环节的过度损耗都会导致整体传输效率的下降，因此，需要对每一环节进行效率优化。

通过优化这些因素，可以提升光学相控阵的整体性能，使其具备更高的扫描速度、更大的扫描范围、更精确的光束控制和更低的能耗。

六、一维收发一体化光学相控阵框架设计

具体的一维收发一体化结构设计如图所示：

具备在发射和接收两种模式下的高效操作能力。在发射模式下，中心波长为1550 nm的激光信号首先通过边缘耦合器1进入主总线波导。此时，光开关被调整至ON状态，确保所有的光信号能够被高效耦合至MMI分束器阵列。在MMI分束器的作用下，光信号被均匀分配到多个路径上，实现多路信号的同步处理。接着，分配后的光信号会通过一组相位调制器阵列，该相位调制器由TiN加热器控制。每个相位调制器通过与外部控制电路相连的金属电极，根据预设的相位需求对信号进行精确调制，从而实现对光束方向和形态的灵活操控。这一调制过程确保了每个信号路径的相位能够根据应用要求进行独立调整，以生成期望的波束输出。

经过相位调制的光信号随后通过边缘刻蚀天线阵列发射到自由空间中。天线阵列中的每个天线单元彼此间距为2微米，保持较小的阵元间距有助于控制发射波束的主瓣宽度和副瓣抑制，从而提高发射方向的精度与效率。

同样的系统架构在接收模式下也具备高效的信号处理能力。当入射光信号进入系统时，首先通过边缘刻蚀天线阵列进行耦合，天线阵列将接收到的光信号耦合至波导阵列中。此时，每个波导路径中的光信号经过相位调制器调节其相位，以便对信号进行相干合成。随后，经过相位调制的光信号会通过MMI分束器阵列进行合束。MMI 阵列的作用在接收模式下与发射模式相反，它将来自不同路径的光信号合成为单一信号，并耦合至主总线波导。

此时，需要将光开关状态调整为OFF，以确保合成的信号不会返回发射路径，而是通过端口2输出。在端口2处，合成后的光信号将被传送至后续的信号检测与处理设备，用于信息的进一步采集与分析。这一收发一体化结构设计不仅有效简化了系统的光路布局，还实 现了收发信号路径的高效分离，确保了系统在发射和接收模式下的稳定性和高性能。

七、二维收发一体化光学相控阵框架设计

具体的二维收发一体化结构如图所示，

同样通过在主路径设计马赫曾德尔光开关，在开关两臂有通过热光效应控制的移相区域，通过控制两臂相位实现间0或π的相位差，实现对收发模式的切换。在发射模式下，1550 nm的激光信号通过光栅耦合器耦合进入光波导。此时，调节热光开关至ON状态，使得光信号全部从上端口输出进入总线波导。

考虑到光开关状态的稳定性可能受到外部因素影响，为确保光开关处于正确的工作状态，在下端口连接了功率检测器，用于实时监测光开关的工作状态并进行反馈调整。光信号进入总线波导后，首先通过MMI分束器阵列，将输入的光信号均匀分配到16路。随后，这16路均匀分配的光信号通过由TiN加热器控制的热光移相器阵列进行相位调制。

热光移相器通过精确的相位控制，将光信号调制到期望的相位，以便在发射时实现目标波 束的精确指向。进入天线阵列后，光信号经过一系列不等长度的定向耦合器，进一步均匀分配能量。这些定向耦合器在分配光信号时，确保每个阵列单元都能获得相同的光能量，从而保证阵列整体的发射性能。

天线阵列中的每个单元由一个二维天线、一个Y分支结构和一系列波导路由组成。

最终，光信号通过Y分支结构将两个方向的光信号合并并耦合到二维光栅天线，利用天线的衍射作用，光信号进入自由空间进行远场发射。

在接收模式下，系统以相同的光路反向运行。外部入射的光信号通过二维天线阵列独立接收，每个天线阵列元件将捕获的光信号耦合到波导中。通过各个天线阵列的相位调制器，接收到的光信号被调制后逐渐汇集至总线波导中。为了切换至接收模式，光开关被调节为OFF状态，确保光信号能够从下端口输出，进入后续的信号检测与处理设备进行数据分析。

然而，由于硅材料的光功率处理能力有限，接收的光信号较弱，难以直接检测到有用信号。为此，这里利用光栅耦合器2输入参考光，借助相干检测技术来增强接收信号的灵敏度。这一方法能够显著提高系统的探测能力，确保弱信号也能被有效接收和处理。

八、结论：

人们对硅基光电子领域的探索逐步深入，研制出大量性能卓越的无源、有源集成光学器件。并在此基础之上，通过将不同器件按照一定的逻辑关系进行排布，有效地实现了具有复杂功能的片上光互联系统，广泛应用于光子计算、激光雷达、量子通信、量子计算、光学神经网络等新兴领域，为超大规模光学系统的芯片化和实用化铺平了道路。

参考文献：

(1)张耀元 面向高效光束操控的硅基收发一体化光学相控阵研究[D].

(1)陈柏松 硅基光学相控阵芯片的研制及其激光雷达成像技术的研究[D].

(3)刘巍 硅基可重构器件及其在光通信中的应用研究[D].

(4)章琼琼 基于单光子探测的光通信技术研究[D].