通信技术的发展与集成光路
随着集成电路特征尺寸的缩小和集成度的提高，特别是因特网的出现和各种新业务对带宽的要求，出现了很多新的、难以解决的问题，如因特网骨干网在普遍实现高清晰度电视传送时产生的带宽问题绝不是可以用电的方法解决的。又例如，采用基于电信号处理的SDH系统对光纤带宽的使用率仅为1%，而采用全光网概念的光分插复用(OADM)设备、光交叉连接(OXC)设备则可以将光纤的容量发挥到极致。于是，科学家们开始专注光子技术的研究，希望可以用光子取代电子实现信息的存储、处理和传输。
光相对电有很多优点，例如，光在光纤等介质材料里的传输速度和带宽都远远大于电子在金属中的传输速度和带宽，光在光纤中的传输损耗远小于电在金属中的传输损耗等。但是，光子的控制却相当困难。这使得光器件的研究和应用一直步履蹒跚，难以取得重大的进步。1987年光子晶体概念的提出向人们展示了一种全新的控制光子的机制，它完全不同于以往利用全反射来引导光传输的机理，给光通信技术的发展和应用带来了新的生机和活力，展现了一个美好的未来。
不难理解，如果希望光子在通信领域能够得到广泛的应用，就要找到一种象实现微电子芯片那样的方法和途径，制造出集成化的微光子芯片。理想的解决方案是在一个微小平台上利用某种东西能同时实现镜子、交换和波导的功能。
光子不仅对通信领域有着巨大的诱惑力，也是未来提高计算机计算速度的关键技术。
微光子、集成光路的发展趋势
微光子领域的研究，其目的是仿效在电子域内把晶体管和其它电子装置集成在一个芯片上的技术来压缩光子开关、光纤、激光器、探测器，并把它们集成在一个光路上。目前集成光路已进入了工程应用阶段。
由于光波的波长比波长最短的无线电波还要小四个数量级，因而具有更大的传递信息和处理信息的能力。然而传统的光学系统体积大、稳定性差、光束的对准和准直困难，不能适应光电子技术应用发展的需要。采用类似于半导体集成电路的制造方法，把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上的集成光路，是解决光学系统集成问题的一种有效途径。这样的集成器件具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低，使用方便等优点。集成光路的应用领域是多方面的，除了光纤通信、光纤传感器、光学信息处理和光计算机外，导波光学原理、薄膜光波导器件和回路还在向其它领域，如材料科学研究、光学仪器、光谱研究等方面渗透。
现在已经做出了很多对应于较大光学元件的薄膜波导元件，如薄膜媒质光波导、薄膜激光器、耦合器、调制器、开关、偏转器、薄膜透镜、棱镜、探测器、滤波器、光学双稳态器件、半加器回路、模/数转换器、傅里叶变换器、频谱分析仪、卷积、存储器等。在光波导中，观察到二次谐波产生、混频、受激布里渊散射、受激喇曼发射等非线性光学效应，以及薄膜中像的传输和转换等现象。一些光元件的集成也已经实现，例如在同一衬底上实现激光器、波导、探测器三种典型元件的集成；六个分布式反馈激光器的集成；三个探测器的集成和注入式激光器和场效应晶体管的集成等。
受工艺的限制和成本的约束，集成光路也不一定要在单个衬底上集成所有的光学元件，很多时候是有限的几种元件的集成，甚至在同一个衬底上只做同种元件的集成(单功能集成)。目前已经出现了光学元件和电学元件的混合集成，今后还可能出现光、电、声、磁元件结合在一起的集成芯片。利用前面提到的导电塑料和塑料芯片技术还有望开发出更先进的集成光路和高密度光存储器件。
集成光路设计方法学与计算辅助设计工具
集成光路设计方法学与相应的计算机辅助设计工具是关系到集成光路能否大规模商用和形成一个产业的关键，是集成光路产业链中重要的一环。尽管它可以部分借鉴微电子领域集成电路设计方法学与计算机辅助设计工具的思想，但毕竟有很多的特殊性。目前世界各国的科学家和工程师的主要精力还都集中在集成光路的基础研究中，对集成光路设计方法学的研究还基本是个空白，也没有相应的计算机辅助设计工具可供使用。今后这是一个崭新的课题需要人们去解决。
通信技术及产业的发展对集成光路的要求
光纤传输固有的容量大、损耗小、防电磁能力强和成本低等优点，在通信网、特别是骨干传输网中得到了广泛的应用，取得了决定性的地位。伴随着通信网容量的快速增长和光纤成本的急剧下降，目前，光纤已开始从核心网向接入网进军，有理由相信未来的网络将是全光网。
尽管目前电子域的时分复用(TDM)系统的速度在实验室内已经达到了40Gbps的水平，但是由于电子运动速率的极限性，已没有多少潜力可挖了。但是在光领域中还有广大的空间。光领域中的复用方式主要有光空分复用(OSDM)、光时分复用(OTDM)和波分复用(WDM)等三种。目前WDM技术比较成熟，已广泛应用于通信传输网，并进步到密集波分复用(DWDM)，而OTDM和OSDM尚处于实验研究阶段。
在交换领域，目前通信网络的主流交换设备仍然是工作在电子域、实现电子交换的电子设备。在这类网络中，尽管已经实现了信号的光纤传输，但是在进行交换前需要用光电转换器件将从光纤传输来的光信号转化成电信号，用电子交换设备实现信号交换，再用电光转换器件将电信号转换成光信号，通过光纤传送出去。由于光电转换和电光转换的效率非常有限，通信网中实际上存在着“电子瓶颈”。为了提高信号交换速度和减少变换损耗克服通信网中的“电子瓶颈”，人们正在研究实现光信号的直接交换(波长到波长的交换)，即光交换。光交换有两种基本模式：基于定长分组和同步节点操作的光透明分组网路(OTPN)和基于可变长分组和异步节点操作的光突发交换(OBS)。目前，OTPN还存在着成本和技术的障碍。
实现光交换的另外一项关键技术是集成光路技术，因为光交换设备的核心元器件是集成光路，如：光开关、光耦合器、光存储器和波长控制器等。目前研究开发人员正在集中精力研制大容量廉价的光器件与集成光路，包括可变波长激光器、高频调制器、波分复用/解复用器/滤波器、增益平坦和锁定的SGL波段放大器、喇曼放大器、高频光探测器、MEMS光开关等。象集成电路中的开关晶体管一样，光交换中的核心是光开关。光开关以光的方式为信息选路。实现光开关的主要技术有微机械技术、气泡技术、液晶技术、全息技术等。目前，实用化的主要有三类：电光开关、机械光开关、热光开关等。近年来，基于MEMS技术的光开关被许多厂家看好。
结语
通信网络的移动化和宽带化趋势和通信终端的个性化趋势将为集成电路产业提供难得的发展机遇。已到中年的集成电路产业，通过SoC技术将必然会再一次呈现青春的气息，实现系统与芯片的统一。包含嵌入式微处理器，高性能DSP、大容量存储器及模拟电路的SoC，必然会以其高集成度、高速率、低功耗和智能化，低成本的优势影响和主导通信设备制造。而集成光路技术也必然会逐渐成熟，在高速、低损耗通信领域赢得它的地位和市场。■
作者简介：魏少军，博士，大唐电信科技股份有限公司总裁兼首席执行官；清华大学教授，博士生导师；北京大学兼职教授；国家八六三计划超大规模集成电路设计专项专家组专家；IEEE有价值会员；中国电子学会高级会员。
