文/傅耀威 孟憲佳（科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心 西北大學）

光電子集成芯片技術(shù)正處于高速發(fā)展時期。全球都投入了大量資源進行高端光電子器件的研發(fā)，在有關(guān)基礎(chǔ)科學問題、關(guān)鍵技術(shù)、示范應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)推廣等方面均有重大進展和突破。本文對光電子集成芯片技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢進行了梳理分析，并提出了我國進一步發(fā)展的對策建議。

一、關(guān)于光電子集成芯片技術(shù)

光電子集成芯片技術(shù)是將光電材料和功能微結(jié)構(gòu)集成在單一芯片上2，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的新技術(shù)。發(fā)展與微電子集成電路類似的光電子集成芯片技術(shù)，是光電子器件技術(shù)正在面臨著的一次里程碑式變革。

目前的光子器件總體處于“單個晶體管”時代，信息系統(tǒng)的能耗和容量問題仍然沒有得到有效的解決。光電子集成芯片技術(shù)具有低功耗、高速率、高可靠、小體積等突出的優(yōu)點，必將在光傳輸、光信息處理與交換、光接入以及光與無線融合等領(lǐng)域的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，發(fā)揮著越來越重要的作用，是突破信息網(wǎng)絡(luò)所面臨的速率和能耗兩大技術(shù)瓶頸的必由之路。光電子集成芯片技術(shù)在傳感、計算、生物、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。

二、國際發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

當前，光電子集成芯片技術(shù)發(fā)展的趨勢特點主要體現(xiàn)在以下幾個層面：

1. 芯片與器件層面：光電子集成化

集成化是光電子技術(shù)發(fā)展的必由之路，這已經(jīng)是光電子科學技術(shù)發(fā)展已經(jīng)證明了的事實，也是學界和產(chǎn)業(yè)界的共識。只有集成才能夠支撐未來信息系統(tǒng)對速率帶寬、能耗體積以及智能可調(diào)控等發(fā)展需求。然而，光電子集成與基于單一硅材料的微電子集成有著巨大的差別，涉及異質(zhì)（材料）、異構(gòu)、異速、異維等關(guān)鍵科學問題。

2. 功能模塊層面：可重構(gòu)智能化

隨著各種信息應(yīng)用的動態(tài)化和復雜化，為了支撐信息傳輸、交換及處理的智能化需求，光電子功能模塊必須具備可重構(gòu)的能力，在對系統(tǒng)性能沒有影響的情況下完成所需要的快速功能轉(zhuǎn)換（例如波長、偏振、頻段等）?！翱烧{(diào)試”“可編程”“可重構(gòu)”等關(guān)鍵詞將成為絕大多數(shù)高性能光電子模塊的基本特征。

3. 系統(tǒng)應(yīng)用層面：多維信號調(diào)控

為了適應(yīng)現(xiàn)代信息社會對帶寬需求的高速增長，核心光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所面臨的信號維度已經(jīng)不是傳統(tǒng)的單一維度（如波長WDM、幅度OOK等），而是越來越復雜的維度組合（波長、偏振、模式、軌道角動量等等），各種復用技術(shù)如波分復用技術(shù)(WDM)、時分復用技術(shù)(TDM)、偏振復用技術(shù)(PDM)、正交頻分復用技術(shù)(OFDM)、空分復用技術(shù)(SDM)和各種高階調(diào)制格式如PSK、QPSK、QAM等已被廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中，因此，高效的信號調(diào)控機制（包括產(chǎn)生、傳輸、交換、處理、接收等）將成為下一階段的研究重點。

光電子器件及集成技術(shù)正處于高速發(fā)展時期，進入21世紀以來，國際上圍繞光電子技術(shù)部署了許多重大的研究計劃，投入了大量的人力物力進行高端光電子器件的研發(fā)，在光電子的基礎(chǔ)科學問題、關(guān)鍵技術(shù)、示范應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)推廣等方面均有重大進展和突破，有力支撐了各國信息領(lǐng)域整體水平的提升。

歐盟在前期5th Framework項目PICCO基礎(chǔ)上部署了6th Framework項目PICMOS和ePIXnet，在7th Framework中部署了HELIOS、PhotonFAB和ERA-NET-PLUS等項目，而“Horizon 2020”計劃更是集中部署了光電子集成研究項目，旨在實現(xiàn)基于半導體材料或二維晶體材料的光電混合集成芯片。

日本先后實施了世界最尖端IT國家重點研究開發(fā)項目——光電子元器件技術(shù)開發(fā)項目，TIA項目（筑波納米技術(shù)革新平臺），下一代高效率網(wǎng)絡(luò)器件技術(shù)開發(fā)項目等等，目前正在實施的First Program（先端研究開發(fā)計劃）部署了“光電子融合系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)項目”。

美國更是集中精力開展光電子技術(shù)研究，尤其以DARPA和NSF資助了多個重大研究計劃，包括HPC/UHPC、EPIC、UNIC、POEM和MURI等計劃。2014年10月美國總統(tǒng)奧巴馬宣布光子集成技術(shù)國家戰(zhàn)略，聯(lián)邦政府結(jié)合社會資本投入6.5億美元打造光子集成器件研發(fā)制備平臺。