一種讓人振奮的黑科技——硅光技術(shù)

當互聯(lián)網(wǎng)流量在用戶(hù)和數據中心之間傳遞時(shí)，越來(lái)越多數據通信發(fā)生在數據中心，讓現有數據中心交換互聯(lián)變得更加困難，成本越來(lái)越高，由此技術(shù)創(chuàng )新變得十分重要與緊迫。

現在有一種半導體技術(shù)——硅光子，具有市場(chǎng)出貨量與成本成反比的優(yōu)勢，相比傳統的光子技術(shù)，硅光器件可以滿(mǎn)足數據中心對更低成本、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(lài)。

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(zhù)器件的特征尺寸減小到十幾個(gè)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。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，基于計算機與通信網(wǎng)絡(luò )化的信息技術(shù)也希望其功能器件和系統具有更快的處理速度、更大的數據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(mǎn)足上述要求。因此，應用“硅基光電子技術(shù)”，將微電子和光電子在硅基平臺上結合起來(lái)，充分發(fā)揮微電子先進(jìn)成熟的工藝技術(shù)，大規模集成帶來(lái)的低廉價(jià)格，以及光子器件與系統所特有的極高帶寬、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據,她是將光學(xué)與電子元件組合至一個(gè)獨立的微芯片中以提升路由器和交換機線(xiàn)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)，利用現有 CMOS 工藝進(jìn)行光器件開(kāi)發(fā)和集成的新一代技術(shù)，結合了集成電路技術(shù)的超大規模、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，是應對摩爾定律失效的顛覆性技術(shù)。這種組合得力于半導體晶圓制造的可擴展性，因而能夠降低成本。

硅光子架構主要由硅基激光器、硅基光電集成芯片、主動(dòng)光學(xué)組件和光纖封裝完成，使用該技術(shù)的芯片中，電流從計算核心流出，到轉換模塊通過(guò)光電效應轉換為光信號****到電路板上鋪設的超細光纖，到另一塊芯片后再轉換為電信號。

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

硅光技術(shù)的價(jià)值

硅光在國家安全布局上具有重要的戰略?xún)r(jià)值。

1、傳統光器件使用磷化銦做材料,只負責數據的交換,而不負責數據的處理和存儲,因此安全價(jià)值僅限于保障通信不斷,但是硅光使用硅作為材料,數據的處理、存儲和交換全部在硅上面完成,如果技術(shù)完全被國外廠(chǎng)商壟斷,后果不堪設想;

2、受制于量子效應,通過(guò)制程改進(jìn)來(lái)提升單核處理器計算性能的方式將會(huì )淡出,或者說(shuō)摩爾定律進(jìn)入失效期,唯一的解決方案是多核并行計算,根據吉爾德定律,帶寬的增長(cháng)速度至少是運算性能增長(cháng)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年左右提出的波導理論，2005-2006年前后開(kāi)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(dòng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，形成了硅光芯片代工廠(chǎng)(GlobalFoundries、意法半導體、AIM等)、激光芯片代工廠(chǎng)(聯(lián)亞電子等)、芯片設計和封裝(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，設計、硅基芯片加工、封測均自己完成)。

硅光學(xué)技術(shù)的種類(lèi)

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(gè)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構。制備方法有：通過(guò)獨立控制固體表面上的成核位置和成核過(guò)程實(shí)現自組織生長(cháng);在掩蔽圖形襯底上的納米結構生長(cháng);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構、周期性變化的折射率以及與半導體潛在電子帶隙相近的光子帶隙。根據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)際應用是人們所關(guān)注的焦點(diǎn)，而與成熟的硅工藝相結合是人們非?？春玫姆较?，可出現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用將是以后的研究重點(diǎn)。在所有光子晶體制備方法中，運用多光束干涉的全息光刻法有著(zhù)許多優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)照射過(guò)程能夠制成大體積一致的周期性結構，并能自由控制結構多次。通過(guò)控制光強、偏振方向和相位延遲，制成不同的結構。

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)現是硅基光電子學(xué)研究中的一個(gè)主攻方向。目前的研究重點(diǎn)有：如何采用適宜的有源區材料，實(shí)現其高效率和高穩定度的發(fā)光;從器件實(shí)用化角度考慮，如何實(shí)現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。目前報道最好的結果是韓國科學(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，基于內子帶躍遷的硅/鍺量子級聯(lián)結構和具有受激喇曼散射特性的絕緣硅(SOI，Silicon-On-Insulator)光波導結構。2005年2月17日的《Nature》雜志上報道了Intel公司利用喇曼效應研制出了世界上第一臺連續光全硅激光器。

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，它應具有良好的光響應特性，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(cháng)的響應率分別為：600mA/W、520 mA/W、100 mA/W。該探測器能夠覆蓋光通信整個(gè)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、硅基光調制器

光調制器是利用材料折射率的變化，對傳輸光的相位和波長(cháng)進(jìn)行調制的光波導器件。由于硅材料不具有線(xiàn)性光電效應，所以一般硅基光調制器和光開(kāi)關(guān)是基于硅的熱光效應和等離子色散效應而設計的。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的硅光調制器。僅過(guò)了一年，Intel的研究員證實(shí)他們的光調制器的傳送速率已經(jīng)達到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(zhù)很大難度，這是因為：光子器件和電子器件的結構復雜，兩者在結構設計上存在著(zhù)能否相互兼容的問(wèn)題;制作工藝繁雜，因而存在著(zhù)各種工藝和前后工序之間能否相互兼容的問(wèn)題;電互連、光互連與光耦合等問(wèn)題。結構設計與制作工藝的相容性問(wèn)題則是能否實(shí)現硅基光子集成的關(guān)鍵所在。

硅光芯片

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

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

其中光子計算一度被認為是最有希望的未來(lái)技術(shù)。與半導體芯片相比，光芯片用超微透鏡取代晶體管、以光信號代替電信號進(jìn)行運算。光芯片無(wú)需改變二進(jìn)制計算機的軟件原理，但可以輕易實(shí)現極高的運算頻率，同時(shí)能耗非常低，不需要復雜的散熱裝置。與電腦對應，設想中的光學(xué)計算機被稱(chēng)作“光腦”。早年甚至有人預言2015年光腦就會(huì )開(kāi)始取代硅芯片。

但是現實(shí)并不盡如人意，科學(xué)家和工程師很快就發(fā)現制造納米級的光學(xué)透鏡是如此困難，想在小小芯片上集成數十億的透鏡遠遠超出了人類(lèi)現有的技術(shù)水平。

好在科研單位并未放棄將光線(xiàn)引入芯片世界的努力。很快人們發(fā)現用光通路取代電路來(lái)在硅芯片之間傳輸數據是很有潛力的應用方向：光信號在傳輸過(guò)程中很少衰減，幾乎不產(chǎn)生熱量，同時(shí)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)數據通道的難度不算太高，不像光子計算那樣近乎幻想。于是從21世紀初開(kāi)始，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機構就開(kāi)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據電路。

硅光學(xué)技術(shù)的目標就是在芯片上集成光電轉換和傳輸模塊，使芯片間光信號交換成為可能。使用該技術(shù)的芯片中，電流從計算核心流出，到轉換模塊通過(guò)光電效應轉換為光信號****到電路板上鋪設的超細光纖，到另一塊芯片后再轉換為電信號。

硅光PID技術(shù)優(yōu)勢

PID技術(shù)采用硅光子集成技術(shù)，利用統一的CMOS工藝平臺，一舉突破早期PID在集成度、性?xún)r(jià)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(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模。

集成光器件中，波導的尺寸占據整體器件尺寸的大部分，而波導波導芯層材料與波導包層材料的折射率差直接影響波導的彎曲半徑，折射率差越大，彎曲半徑越小，則器件尺寸越小。硅光波導的折射率差是目前所有商用光波導中最大的，因此能夠實(shí)現極小的器件尺寸。如圖2所示，對于陣列波導光柵(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?xún)r(jià)比

除了集成度，硅光PID技術(shù)在性?xún)r(jià)比上具有極大的優(yōu)勢。

首先，傳統的光器件，其采用不同的材料來(lái)實(shí)現不同功能，各種材料對應生產(chǎn)工藝不同，因此一個(gè)器件的生產(chǎn)涉及眾多環(huán)節;此外，傳統分立器件裝配大量依靠手工調試和校驗，生產(chǎn)效率低，因此導致光器件價(jià)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(guò)單一工藝流程實(shí)現整個(gè)器件的制備，并利用了現有成熟的微電子加工工藝(CMOS工藝)實(shí)現規?；?、自動(dòng)化生產(chǎn)，避免了產(chǎn)線(xiàn)重復投資，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III-IV族光電器件僅能夠在3-4英寸晶圓上面實(shí)現，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(gè)硅光芯片的費用遠低于傳統光電芯片。

低功耗

相比傳統技術(shù)， 硅光PID技術(shù)在功耗上占據極大優(yōu)勢。傳統光器件由多種材料組成不同的功能器件，上圖所示為一個(gè)普通的****機結構，激光器、調制器和連接波導分別用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構不同，導致晶格失配，接觸界面不連續有缺陷，光在其中傳播就會(huì )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(huì )導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)由于統一工藝材料，所以器件內部沒(méi)有多材料導致的光損耗，因此為了獲得與傳統器件同樣的輸出功率，其光源的****功率要低很多，因此模塊的功耗也相應降低了。

硅光技術(shù)的應用領(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領(lǐng)域存在更大需求，消費電子、智能駕駛、量子通信等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。

消費電子

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

智能駕駛

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

LiDAR需要多個(gè)激光****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相位調諧能力非常適宜LiDAR應用，目前有MIT、OURS等多個(gè)團隊推出基于硅光的LiDAR產(chǎn)品，隨著(zhù)無(wú)人駕駛、輔助駕駛應用逐步成熟，LiDAR有望成為硅光重要應用領(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)非常適合復雜光路控制和高集成度，北大團隊2018年3月在Science上發(fā)表了基于硅光的量子糾纏芯片的設計。

量子通信在長(cháng)途干線(xiàn)、金融等機構保密設備、數據中心加密等領(lǐng)域有廣泛的應用空間，基于硅光的量子通信芯片有望成為未來(lái)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的產(chǎn)品方案，但由于智能駕駛、面部識別算法和具體應用、光子計算等下游需求尚未成熟和普及，光模塊和芯片在消費領(lǐng)域的應用仍然較少，且需求快速落地的驅動(dòng)因素不是由光模塊產(chǎn)業(yè)鏈決定，而是由下游應用端的廠(chǎng)商決定，需要更切中用戶(hù)痛點(diǎn)的新設計、新算法和新產(chǎn)品模式，才能打開(kāi)下游消費需求。

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)的設計痛點(diǎn)

硅光芯片的設計方面面臨著(zhù)架構不完善、體積和性能平衡等難題。硅光芯片的設計方案有三大主流：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，尤其是波導制備目前而言很有挑戰;至于混合集成，雖然工藝靈活，但成本較高，設計難度大。

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(zhù)自動(dòng)化程度低、產(chǎn)業(yè)標準不統一、設備緊缺等技術(shù)難關(guān)。由于光波長(cháng)難以壓縮，過(guò)長(cháng)的波長(cháng)限制芯片體積微縮的可能。同時(shí)光學(xué)裝置須要更精確的做工，因為光束傳輸的些微偏差會(huì )造成巨大的問(wèn)題，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(wèn)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(gè)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(lái)說(shuō)，因為硅光芯片所采用的光的波長(cháng)非常的小，跟光纖存在著(zhù)不匹配的問(wèn)題，與激光器也存在著(zhù)同樣的問(wèn)題;不匹配的問(wèn)題就會(huì )導致耦合損耗比較大，這是硅光芯片封裝與傳統封裝相比最大的區別。用硅光做高速的器件，隨著(zhù)性能的不斷提升，pin的密度將會(huì )大幅度增加，這也會(huì )為封裝帶來(lái)很大的挑戰。

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。如硅基光波導主要面臨的產(chǎn)品化問(wèn)題：硅基光電子需要小尺寸、大帶寬、低功耗的調制器。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(dòng)下，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，電子芯片逐漸遇到性能瓶頸，尤其是速度與大數據帶來(lái)的巨大壓力。光子芯片具有明顯的速度優(yōu)勢，可使芯片運算速度得到巨大提升。伴隨著(zhù)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，光子芯片在智能終端、大數據、超算等領(lǐng)域將發(fā)揮巨大作用。正是有著(zhù)如此多的優(yōu)勢和特點(diǎn)，在大數據、生命科學(xué)、激光武器等高端領(lǐng)域其作用不可替代。未來(lái)，光子芯片的前景廣闊，其應用未必比電子芯片少?？梢灶A見(jiàn)的是， 將來(lái)是一個(gè)光子芯片、電子芯片平分天下的局面。