當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)流量在用戶和數(shù)據(jù)中心之間傳遞時，越來越多數(shù)據(jù)通信發(fā)生在數(shù)據(jù)中心，讓現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心交換互聯(lián)變得更加困難，成本越來越高，由此技術(shù)創(chuàng)新變得十分重要與緊迫。

現(xiàn)在有一種半導(dǎo)體技術(shù)——硅光子，具有市場出貨量與成本成反比的優(yōu)勢，相比傳統(tǒng)的光子技術(shù)，硅光器件可以滿足數(shù)據(jù)中心對更低成本、更高集成、更多嵌入式功能、更高互聯(lián)密度、更低功耗和可靠性的依賴。

微電子技術(shù)按照“摩爾定律”飛速發(fā)展已有五十幾年了，但隨著器件的特征尺寸減小到十幾個納米以下，微電子產(chǎn)業(yè)能否再依照“摩爾定律”前進(jìn)已面臨挑戰(zhàn)。器件的速度、功耗和散熱已經(jīng)成為制約微電子技術(shù)發(fā)展的瓶頸。另一方面，基于計(jì)算機(jī)與通信網(wǎng)絡(luò)化的信息技術(shù)也希望其功能器件和系統(tǒng)具有更快的處理速度、更大的數(shù)據(jù)存儲容量和更高的傳輸速率。僅僅利用電子作為信息載體的硅集成電路技術(shù)已經(jīng)難以滿足上述要求。因此，應(yīng)用“硅基光電子技術(shù)”，將微電子和光電子在硅基平臺上結(jié)合起來，充分發(fā)揮微電子先進(jìn)成熟的工藝技術(shù)，大規(guī)模集成帶來的低廉價格，以及光子器件與系統(tǒng)所特有的極高帶寬、超快傳輸速率、高抗干擾性等優(yōu)勢，已經(jīng)成為了信息技術(shù)發(fā)展的必然和業(yè)界的普遍共識。

什么是硅光技術(shù)?

硅光子是一種基于硅光子學(xué)的低成本、高速的光通信技術(shù),用激光束代替電子信號傳輸數(shù)據(jù),她是將光學(xué)與電子元件組合至一個獨(dú)立的微芯片中以提升路由器和交換機(jī)線卡之間芯片與芯片之間的連接速度。

硅光子技術(shù)是基于硅和硅基襯底材料(如 SiGe/Si、SOI 等)，利用現(xiàn)有 CMOS 工藝進(jìn)行光器件開發(fā)和集成的新一代技術(shù)，結(jié)合了集成電路技術(shù)的超大規(guī)模、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢，是應(yīng)對摩爾定律失效的顛覆性技術(shù)。這種組合得力于半導(dǎo)體晶圓制造的可擴(kuò)展性，因而能夠降低成本。

硅光子架構(gòu)主要由硅基激光器、硅基光電集成芯片、主動光學(xué)組件和光纖封裝完成，使用該技術(shù)的芯片中，電流從計(jì)算核心流出，到轉(zhuǎn)換模塊通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為光信號發(fā)射到電路板上鋪設(shè)的超細(xì)光纖，到另一塊芯片后再轉(zhuǎn)換為電信號。

從大的思路來看,未來的芯片的提速需要芯片間和芯片內(nèi)的通訊速度**加快,目前單純的電子遷移速度不能滿足要求,而利用光傳輸則可以有效的解決這一問題。硅光子為此應(yīng)運(yùn)而生

硅光技術(shù)的價值

硅光在國家安全布局上具有重要的戰(zhàn)略價值。

1、傳統(tǒng)光器件使用磷化銦做材料,只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的交換,而不負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和存儲,因此安全價值僅限于保障通信不斷,但是硅光使用硅作為材料,數(shù)據(jù)的處理、存儲和交換全部在硅上面完成,如果技術(shù)完全被國外廠商壟斷,后果不堪設(shè)想;

2、受制于量子效應(yīng),通過制程改進(jìn)來提升單核處理器計(jì)算性能的方式將會淡出,或者說摩爾定律進(jìn)入失效期,唯一的解決方案是多核并行計(jì)算,根據(jù)吉爾德定律,帶寬的增長速度至少是運(yùn)算性能增長速度的3 倍,因此硅光替代集成電路是必然。

硅光技術(shù)的發(fā)展

硅光技術(shù)基于1985年左右提出的波導(dǎo)理論，2005-2006年前后開始逐步從理論向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，Luxtera、Kotura等先行者不斷推動技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，形成了硅光芯片代工廠(GlobalFoundries、意法半導(dǎo)體、AIM等)、激光芯片代工廠(聯(lián)亞電子等)、芯片設(shè)計(jì)和封裝(Luxtera、Kotura等)較為成熟的Fabless產(chǎn)業(yè)鏈模式，也有Intel為代表的IDM模式，除激光芯片外，設(shè)計(jì)、硅基芯片加工、封測均自己完成)。

硅光學(xué)技術(shù)的種類

硅光電子學(xué)包括硅基光子材料、硅基光子器件和硅基光子集成三個主要方面。

硅基光子材料

1、硅基納米發(fā)光材料

目前的研究重點(diǎn)是如何有效地控制硅納米晶粒的尺寸和密度，以形成具有小尺寸和高密度的有序納米結(jié)構(gòu)。制備方法有：通過獨(dú)立控制固體表面上的成核位置和成核過程實(shí)現(xiàn)自組織生長;在掩蔽圖形襯底上的納米結(jié)構(gòu)生長;掃描探針顯微術(shù)的表面納米加工;全息光刻技術(shù)的納米圖形制備以及激光定域晶化的有序納米陣列形成等。

2、硅基光子晶體

光子晶體具有合成的微結(jié)構(gòu)、周期性變化的折射率以及與半導(dǎo)體潛在電子帶隙相近的光子帶隙。根據(jù)能隙空間分布的特點(diǎn)，可以將其分為一維、二維和三維光子晶體。光子晶體的實(shí)際應(yīng)用是人們所關(guān)注的焦點(diǎn)，而與成熟的硅工藝相結(jié)合是人們非?？春玫姆较?，可出現(xiàn)全硅基光電子器件和全硅基光子器件，因此制備硅基光子晶體及其應(yīng)用將是以后的研究重點(diǎn)。在所有光子晶體制備方法中，運(yùn)用多光束干涉的全息光刻法有著許多優(yōu)點(diǎn)：通過照射過程能夠制成大體積一致的周期性結(jié)構(gòu)，并能自由控制結(jié)構(gòu)多次。通過控制光強(qiáng)、偏振方向和相位延遲，制成不同的結(jié)構(gòu)。

硅基光子器件

1、硅基發(fā)光二極管

作為硅基光電子集成中的光源，硅基發(fā)光二極管(Si-LED)的實(shí)現(xiàn)是硅基光電子學(xué)研究中的一個主攻方向。目前的研究重點(diǎn)有：如何采用適宜的有源區(qū)材料，實(shí)現(xiàn)其高效率和高穩(wěn)定度的發(fā)光;從器件實(shí)用化角度考慮，如何實(shí)現(xiàn)Si-LED在室溫下的電致發(fā)光。研究人員已嘗試了三種硅基納米材料用于高效率Si-LED的制作，即硅納米量子點(diǎn)，高純體單晶硅和摻Er3+的硅納米晶粒。目前報(bào)道最好的結(jié)果是韓國科學(xué)家研究的由鑲嵌在SiNx膜層中的硅納米量子點(diǎn)所制成的電致發(fā)光LED，室溫下的外量子效率可高達(dá)1.6%。

2、硅基激光器

目前，人們已初步提出了三種能產(chǎn)生光增益或受激輻射的增益介質(zhì)材料，即具有高密度和小尺寸的有序硅納米晶粒，基于內(nèi)子帶躍遷的硅/鍺量子級聯(lián)結(jié)構(gòu)和具有受激喇曼散射特性的絕緣硅(SOI，Silicon-On-Insulator)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。2005年2月17日的《Nature》雜志上報(bào)道了Intel公司利用喇曼效應(yīng)研制出了世界上第一臺連續(xù)光全硅激光器。

3、硅基光探測器

硅基光探測器是硅基光電子集成中的光信號接收器件，它應(yīng)具有良好的光響應(yīng)特性，較高的探測靈敏度，小的暗電流和寬頻帶等優(yōu)點(diǎn)。由麻省工學(xué)院材料科學(xué)與工程系研制的Ge-PIN光探測器，在1310nm、1550nm、1620nm波長的響應(yīng)率分別為：600mA/W、520 mA/W、100 mA/W。該探測器能夠覆蓋光通信整個C band和大部分L band范圍，具有2.5GHz的3dB帶寬，在1310nm和1550nm的性能能夠和目前用于通信的商用銦鎵砷(InGaAs)探測器相比擬。

4、硅基光調(diào)制器

光調(diào)制器是利用材料折射率的變化，對傳輸光的相位和波長進(jìn)行調(diào)制的光波導(dǎo)器件。由于硅材料不具有線性光電效應(yīng)，所以一般硅基光調(diào)制器和光開關(guān)是基于硅的熱光效應(yīng)和等離子色散效應(yīng)而設(shè)計(jì)的。2004年2月，Intel率先在享有很高聲譽(yù)的《Nature》科學(xué)雜志上宣布他們研制成功了Gbit/s的硅光調(diào)制器。僅過了一年，Intel的研究員證實(shí)他們的光調(diào)制器的傳送速率已經(jīng)達(dá)到10Gbit/s。

硅基光子集成

研究人員已提出了兩種可供參考的集成方案：光電混合集成和單芯片集成。但硅基光子集成工藝卻有著很大難度，這是因?yàn)椋汗庾悠骷碗娮悠骷慕Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在著能否相互兼容的問題;制作工藝繁雜，因而存在著各種工藝和前后工序之間能否相互兼容的問題;電互連、光互連與光耦合等問題。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作工藝的相容性問題則是能否實(shí)現(xiàn)硅基光子集成的關(guān)鍵所在。

硅光芯片

在光通信領(lǐng)域也存在“摩爾定律”現(xiàn)象，稱之為“光學(xué)習(xí)*定律”，即網(wǎng)絡(luò)流量每2年實(shí)現(xiàn)翻倍，骨干光通信設(shè)備每3年升級一次。爆發(fā)式的流量增長，給光通信骨干網(wǎng)絡(luò)帶來很大的壓力。但是，當(dāng)前基于InP和GaAs半導(dǎo)體材料制成的光芯片成本居高不下，制約了光通信線路容量對流量爆發(fā)的承載，以硅為半導(dǎo)體材料的硅基光電子技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

早在上世紀(jì)90年代，IT從業(yè)者就開始為半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)尋找繼任者。光子計(jì)算、量子計(jì)算、生物計(jì)算、超導(dǎo)計(jì)算等概念一時間炙手可熱，它們的目標(biāo)都是在硅芯片發(fā)展到物理極限后取而代之。

其中光子計(jì)算一度被認(rèn)為是最有希望的未來技術(shù)。與半導(dǎo)體芯片相比，光芯片用超微透鏡取代晶體管、以光信號代替電信號進(jìn)行運(yùn)算。光芯片無需改變二進(jìn)制計(jì)算機(jī)的軟件原理，但可以輕易實(shí)現(xiàn)極高的運(yùn)算頻率，同時能耗非常低，不需要復(fù)雜的散熱裝置。與電腦對應(yīng)，設(shè)想中的光學(xué)計(jì)算機(jī)被稱作“光腦”。早年甚至有人預(yù)言2015年光腦就會開始取代硅芯片。

但是現(xiàn)實(shí)并不盡如人意，科學(xué)家和工程師很快就發(fā)現(xiàn)制造納米級的光學(xué)透鏡是如此困難，想在小小芯片上集成數(shù)十億的透鏡遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類現(xiàn)有的技術(shù)水平。

好在科研單位并未放棄將光線引入芯片世界的努力。很快人們發(fā)現(xiàn)用光通路取代電路來在硅芯片之間傳輸數(shù)據(jù)是很有潛力的應(yīng)用方向：光信號在傳輸過程中很少衰減，幾乎不產(chǎn)生熱量，同時可以輕松獲得恐怖的帶寬;最重要的是在硅芯片上集成光學(xué)數(shù)據(jù)通道的難度不算太高，不像光子計(jì)算那樣近乎幻想。于是從21世紀(jì)初開始，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)就開始重點(diǎn)發(fā)展硅芯片光學(xué)信號傳輸技術(shù)，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路。

硅光學(xué)技術(shù)的目標(biāo)就是在芯片上集成光電轉(zhuǎn)換和傳輸模塊，使芯片間光信號交換成為可能。使用該技術(shù)的芯片中，電流從計(jì)算核心流出，到轉(zhuǎn)換模塊通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為光信號發(fā)射到電路板上鋪設(shè)的超細(xì)光纖，到另一塊芯片后再轉(zhuǎn)換為電信號。

硅光PID技術(shù)優(yōu)勢

PID技術(shù)采用硅光子集成技術(shù)，利用統(tǒng)一的CMOS工藝平臺，一舉突破早期PID在集成度、性價比和功耗的諸多瓶頸。

高集成度

目前，PID技術(shù)除了硅光子集成，還有二氧化硅平面光波導(dǎo)(SiO2-PLC)，III-IV族材料(如InP)單片集成。相比其他二者，硅光PID的集成度最高，主要體現(xiàn)在其器件體積最小，因而同樣的空間可以容納幾倍的器件規(guī)模。

集成光器件中，波導(dǎo)的尺寸占據(jù)整體器件尺寸的大部分，而波導(dǎo)波導(dǎo)芯層材料與波導(dǎo)包層材料的折射率差直接影響波導(dǎo)的彎曲半徑，折射率差越大，彎曲半徑越小，則器件尺寸越小。硅光波導(dǎo)的折射率差是目前所有商用光波導(dǎo)中最大的，因此能夠?qū)崿F(xiàn)極小的器件尺寸。如圖2所示，對于陣列波導(dǎo)光柵(AWG)而言，在二氧化硅平臺下，面積為平方厘米量級;而在硅光平臺下，卻只有前者的千分之一。

高性價比

除了集成度，硅光PID技術(shù)在性價比上具有極大的優(yōu)勢。

首先，傳統(tǒng)的光器件，其采用不同的材料來實(shí)現(xiàn)不同功能，各種材料對應(yīng)生產(chǎn)工藝不同，因此一個器件的生產(chǎn)涉及眾多環(huán)節(jié);此外，傳統(tǒng)分立器件裝配大量依靠手工調(diào)試和校驗(yàn)，生產(chǎn)效率低，因此導(dǎo)致光器件價格居高不下。硅光PID技術(shù)可以利用硅基制備除光源外的各種光功能器件，即通過單一工藝流程實(shí)現(xiàn)整個器件的制備，并利用了現(xiàn)有成熟的微電子加工工藝(CMOS工藝)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、自動化生產(chǎn)，避免了產(chǎn)線重復(fù)投資，有利于降低相關(guān)投資。

上圖所示為InP材料和硅基材料的晶圓尺寸對比，顯然受到材料制備特性的限制，傳統(tǒng)III-IV族光電器件僅能夠在3-4英寸晶圓上面實(shí)現(xiàn)，而硅光器件卻能夠在8-12英寸晶圓上面一次加工，且硅光芯片尺寸更小，因此能夠在一次加工中得到更多的芯片，也使得生產(chǎn)單個硅光芯片的費(fèi)用遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)光電芯片。

低功耗

相比傳統(tǒng)技術(shù)， 硅光PID技術(shù)在功耗上占據(jù)極大優(yōu)勢。傳統(tǒng)光器件由多種材料組成不同的功能器件，上圖所示為一個普通的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)，激光器、調(diào)制器和連接波導(dǎo)分別用InP、LiNbO3和SiO2三種不同材料制成。各功能器件連接處由于材料的晶格結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致晶格失配，接觸界面不連續(xù)有缺陷，光在其中傳播就會產(chǎn)生散射而損耗;此外，由于不同材料折射率不同，光在介質(zhì)間傳播也會導(dǎo)致不同程度的反射和折射，也產(chǎn)生一部分損失。上圖顯示了光信號在傳統(tǒng)器件不同材料中傳播損耗的示意圖。而硅光PID技術(shù)由于統(tǒng)一工藝材料，所以器件內(nèi)部沒有多材料導(dǎo)致的光損耗，因此為了獲得與傳統(tǒng)器件同樣的輸出功率，其光源的發(fā)射功率要低很多，因此模塊的功耗也相應(yīng)降低了。

硅光技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

硅光技術(shù)的高度集成特性在對尺寸更加敏感的消費(fèi)領(lǐng)域存在更大需求，消費(fèi)電子、智能駕駛、量子通信等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。

消費(fèi)電子

硅光的高集成度特性非常適合消費(fèi)電子的需求，在有限的空間集成更多的器件，針對消費(fèi)電子的硅光應(yīng)用或有更多應(yīng)用場景。

智能駕駛

目前車載激光雷達(dá)(LiDAR)已經(jīng)成為比較成熟的技術(shù)路線，飛行時間法全固態(tài)LiDAR是主流技術(shù)路線，其中還可分為激光多束發(fā)射、可操縱相控陣列和泛光面陣發(fā)射等模式。

LiDAR需要多個激光發(fā)射源和接收器，或使用多路信號控制，硅光的高度集成性和電光效應(yīng)相位調(diào)諧能力非常適宜LiDAR應(yīng)用，目前有MIT、OURS等多個團(tuán)隊(duì)推出基于硅光的LiDAR產(chǎn)品，隨著無人駕駛、輔助駕駛應(yīng)用逐步成熟，LiDAR有望成為硅光重要應(yīng)用領(lǐng)域。

量子通信

量子通信需要制備糾纏態(tài)的光子，并對其進(jìn)行操控和分析，硅光技術(shù)非常適合復(fù)雜光路控制和高集成度，北大團(tuán)隊(duì)2018年3月在Science上發(fā)表了基于硅光的量子糾纏芯片的設(shè)計(jì)。

量子通信在長途干線、金融等機(jī)構(gòu)保密設(shè)備、數(shù)據(jù)中心加密等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用空間，基于硅光的量子通信芯片有望成為未來重要的技術(shù)方案。

從光模塊和芯片技術(shù)的角度看，目前支持面部識別、環(huán)境識別、短距離高速互聯(lián)等的技術(shù)均有一定積累和相應(yīng)的產(chǎn)品方案，但由于智能駕駛、面部識別算法和具體應(yīng)用、光子計(jì)算等下游需求尚未成熟和普及，光模塊和芯片在消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用仍然較少，且需求快速落地的驅(qū)動因素不是由光模塊產(chǎn)業(yè)鏈決定，而是由下游應(yīng)用端的廠商決定，需要更切中用戶痛點(diǎn)的新設(shè)計(jì)、新算法和新產(chǎn)品模式，才能打開下游消費(fèi)需求。

硅光技術(shù)發(fā)展的四大技術(shù)難題

一、硅光子芯片技術(shù)的設(shè)計(jì)痛點(diǎn)

硅光芯片的設(shè)計(jì)方面面臨著架構(gòu)不完善、體積和性能平衡等難題。硅光芯片的設(shè)計(jì)方案有三大主流：前端集成、混合集成和后端集成。前端集成的缺點(diǎn)是面積利用率不高、SOI襯底光/電不兼容、靈活性低和波導(dǎo)掩埋等，在工藝上的成本超高;后端集成在制造方面難度很大，尤其是波導(dǎo)制備目前而言很有挑戰(zhàn);至于混合集成，雖然工藝靈活，但成本較高，設(shè)計(jì)難度大。

二、硅光子芯片技術(shù)的制造難題

硅光芯片的制造工藝面臨著自動化程度低、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、設(shè)備緊缺等技術(shù)難關(guān)。由于光波長難以壓縮，過長的波長限制芯片體積微縮的可能。同時光學(xué)裝置須要更精確的做工，因?yàn)楣馐鴤鬏數(shù)男┪⑵顣斐删薮蟮膯栴}，相對需要高技術(shù)及高成本。光子芯片相關(guān)的制程技術(shù)尚有待完善，良品率和成本將是考驗(yàn)產(chǎn)業(yè)的一大難題。

三、硅光子芯片面臨的封裝困擾

芯片封裝是任何芯片的必經(jīng)流程，關(guān)于硅光子的芯片封裝問題，這是目前行業(yè)的一大痛點(diǎn)。硅光芯片的封裝主要分為兩個部分，一部分是光學(xué)部分的封裝，一部分是電學(xué)部分的封裝。從光學(xué)封裝角度來說，因?yàn)楣韫庑酒捎玫墓獾牟ㄩL非常的小，跟光纖存在著不匹配的問題，與激光器也存在著同樣的問題;不匹配的問題就會導(dǎo)致耦合損耗比較大，這是硅光芯片封裝與傳統(tǒng)封裝相比最大的區(qū)別。用硅光做高速的器件，隨著性能的不斷提升，pin的密度將會大幅度增加，這也會為封裝帶來很大的挑戰(zhàn)。

四、產(chǎn)業(yè)相關(guān)的器件難題

硅光芯片需要的器件很多，而目前仍有很多相關(guān)技術(shù)難題未解決。如硅基光波導(dǎo)主要面臨的產(chǎn)品化問題：硅基光電子需要小尺寸、大帶寬、低功耗的調(diào)制器。有源光芯片、器件與光模塊產(chǎn)品是重點(diǎn)器件，如陶瓷套管/插芯、光收發(fā)接口等組件技術(shù)目前尚未完全掌握。

在摩爾定律的推動下，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，電子芯片逐漸遇到性能瓶頸，尤其是速度與大數(shù)據(jù)帶來的巨大壓力。光子芯片具有明顯的速度優(yōu)勢，可使芯片運(yùn)算速度得到巨大提升。伴隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，光子芯片在智能終端、大數(shù)據(jù)、超算等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮巨大作用。正是有著如此多的優(yōu)勢和特點(diǎn)，在大數(shù)據(jù)、生命科學(xué)、激光武器等高端領(lǐng)域其作用不可替代。未來，光子芯片的前景廣闊，其應(yīng)用未必比電子芯片少?？梢灶A(yù)見的是， 將來是一個光子芯片、電子芯片平分天下的局面。