一種讓人振奮的黑科技——硅光技術(shù)

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(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立的微芯片中以提升路由器和交換機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****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算,根據(jù)吉爾德定律,帶寬的增長速度至少是運算性能增長速度的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、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：通過獨立控制固體表面上的成核位置和成核過程實現(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，可以將其分為一維、二維和三維光子晶體。光子晶體的實際應(yīng)用是人們所關(guān)注的焦點，而與成熟的硅工藝相結(jié)合是人們非常看好的方向，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。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許多優(yōu)點：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、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。目前的研究重點有：如何采用適宜的有源區(qū)材料，實現(xiàn)其高效率和高穩(wěn)定度的發(fā)光;從器件實用化角度考慮，如何實現(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，高純體單晶硅和摻Er3+的硅納米晶粒。目前報道最好的結(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。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)計的。2004年2月，Intel率先在享有很高聲譽的《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，這是因為：光子器件和電子器件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩者在結(jié)構(gòu)設(shè)計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)計與制作工藝的相容性問題則是能否實現(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。光子計算、量子計算、生物計算、超導(dǎo)計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)行運算。光芯片無需改變二進(jìn)制計算機的軟件原理，但可以輕易實現(xiàn)極高的運算頻率，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)計算機被稱作“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)機構(gòu)就開始重點發(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****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，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****機結(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****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(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****、可操縱相控陣列和泛光面陣****等模式。

LiDAR需要多個激光****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(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。

量子通信在長途干線、金融等機構(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(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的新設(shè)計、新算法和新產(chǎn)品模式，才能打開下游消費需求。

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(shè)計痛點

硅光芯片的設(shè)計方面面臨著架構(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，因為光束傳輸?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。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，因為硅光芯片所采用的光的波長非常的小，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，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。可以預(yù)見的是， 將來是一個光子芯片、電子芯片平分天下的局面。