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光电集成技术研究综述

从大规模商业应用和技术发展来看，基于光子元器件和光子集成技术的光通信经历了从国家级骨干网、光纤到户、设备间和板级光纤互联直至模块级光互联的长期演进之路。随着超高速、超宽带、低功耗、超短时等通信发展要求的不断提升，如5G和6G移动通信，天地一体化信息网络，光、电融合成为重大技术发展趋势，核心技术的发展开始聚焦于芯片级的光电集成。

历史上，1972年美国加州理工学院的Yariv教授等人提出光电集成的概念，并率先于1978年研制出世界上第一个仅由一个短波长（850nm）GaAs激光二极管和一个GaAs耿氏二极管构成的光电集成单片。在过去40余年的时间里，伴随着光子集成技术的发展与成熟，将多个光子器件与电子器件集成在一个模块甚至单块芯片的技术已逐步实现。随着未来网络通信更新换代速度的加快，应用需求与光电器件性能、尺寸、成本等之间的矛盾将日趋明显，光电集成技术作为解决该矛盾的最主要手段，将日益成为国内外光电领域的发展趋势和争相研究的热点。

一、光电集成技术发展现状与进展

经过几十年的发展，光电子技术和产业取得了巨大的成就。光电子对于国家社会与经济发展的支撑作用已经成为各国共识。例如，美国国家科学委员会（NationalAcademies）在提交给白宫的白皮书《OpticsandPhotonics:EssentialTechnologiesforOurNation》中强调“光子学是重拾美国竞争力和维护国家安全的关键”；欧洲21世纪光子咨询专家组提交的《Towards2020-PhotonicsDrivingEconomicGrowthinEurope》中明确指出“奔向2020的光子学将成为欧洲经济增长的重要支撑”。光电子作为前沿科学研究中的重要组成部分，一直以来备受各国重视。许多国家纷纷设立了各种光电子研究计划，例如美国的UHPC、EPIC、UNIC、POEM等；欧盟的HELIOS、PhotonFAB、ERA-NET-PLUS等；以及日本的FirstProgram、TIA等。

光电集成技术针对前沿进展、应用需求和信息处理的不同阶段，形成了不同的学科分类，如针对宽带光通信技术的需求形成了高速光电子信息学科；针对在微纳尺度上实现各种新型功能材料和器件发展形成了微纳光子学和超高分辨成像及显示学科；针对半导体照明和紫外光探测日益增长的需求，形成了宽禁带半导体光电子学科。另外，目前单元器件技术基本成熟，但是没有一种材料体系可以成为唯一的光子集成材料体系，多种材料体系并存将成为未来很长一段时间内光电子集成技术的状态。

下面针对典型的光电子器件与集成技术分别进行阐述。

（一）光通信及信息处理功能集成芯片

面对光通信和信息处理所面临的技术瓶颈，光通信及信息处理功能集成芯片的设计、制备、封装以及应用技术都取得了较大的进展。主要研究现状与进展如下所述：

功能材料：近年来，二维原子晶体、拓扑绝缘体等一系列新材料领域的突破，为探索新原理、新结构信息功能器件提供了发展机遇。掌握了半导体新材料与新原理器件技术，就抢占了下一代信息技术的制高点。抓住新型信息功能材料所带来的机遇，探索新结构、新原理器件，将为信息技术的新发展奠定基础。

集成技术：光子集成是突破信息系统面临的“速率”、“功耗”、“智能化”等瓶颈的必由之路，目前单元器件技术基本成熟，如何实现多材料体系、多种功能器件的系统集成是亟待研究解决的难题。此外，面向宽带网络、大数据和5G通信，需重点解决制备工艺兼容性、模场匹配、光模式交叉耦合等关键科学和技术。

系统应用：从西方各国在光通信领域的竞争态势看，Pbit/s级超大容量超长距离光传输、数据中心光互连、片上光网络、硅基多材料混合的光电融合集成芯片和器件、大容量空间光传输等均成为国际热点问题。未来的竞争将主要体现在“下一代超大容量光传输和光接入”、“高密度、高带宽、低延迟、低功耗的新一代数据中心光互连”、“新型可见光通信”和“空天地一体化光传输”等多种平台建设。

（二）超高分辨成像及显示芯片技术

近十年来，国际上开始大力发展微纳光子学及其技术，使光电子技术与纳米技术相结合，对现有的光电子技术进行升级改造。从基础理论、微纳结构的功能型器件到集成的微纳光子学系统应用以及高分辨实时获得图像技术，微纳光子学与光电子器件集成领域涌现出大量的创新性原理、手段与技术，并有望在微纳尺度上实现各种新型功能器件，为新一代仪器技术开创新的平台。

基础理论：当微纳结构的特征尺寸达到纳米甚至原子尺度时，宏观Maxwell方程组中的物质参数会发生变化，产生各种特殊光学效应，例如光场局域化突破衍射极限、电磁场增强、辐射增强、吸收/透射/反射增强、非线性效应增强、慢光效应、深亚波长结构等效介质效应等。这些特殊光学