深入解析硅光子学

随着新的制造技术和设计工具的出现，硅光子学的带宽、延迟和能效优势与提供数据驱动的应用和服务更加接近了。研究人员正在追求多种部署路径，具体应用也许决定了如何最好地利用光来连接芯片组件和计算平台。

无论你是在关注数据中心架构、5G基础设施、汽车驾驶辅助或医疗诊断，迟早都会有一场关于革命性新技术的讨论。而其中很可能会包括“硅光子学”。那么，究竟什么是硅光子学，为什么它在如此多样的应用中受到普遍关注呢？

对物理学家来说，光子学仅仅意味着对光子的研究。但加上硅这个词，含义就相当不同了。粗略地说，硅光子学指的是使用接近传统的IC晶圆加工来制造操纵光的结构，以传输或处理信息。但这主要是出于市场宣传的方便，这种描述却不太精确。并非所有的结构都是由硅制成的，而且“光子学”不一定是指光的颗粒性质，选择这个词更可能是因为它听起来像电子。

这个定义蕴含着很多的希望。利用光来传输信息（就像通信和网络技术领域那样）或处理信息（还在研究阶段），在速度和能效方面比电子方法有很大的优势。将其芯片化，就有可能使光子学共享与电子IC相同的优势，因为IC产业早已形成了巨大规模和产业成熟度。

物理学的基础

这些美好前景建立在硅的一些重要物理特性之上。首先，尽管硅可以很好地反射可见光，但它对一些红外光是透明的。这使得微小的光波导成为可能，它可以在芯片上传输光束，就像金属连线传输电流一样。但光波导可以更快、更有效。

第二，在硅中，光子和电场有时可以相互作用。光可以刺激电流，使光信号转换为电子信号。而电场可以改变硅的光学特性，使电子信号可以控制光学开关和调制器。

仅凭这些元件加上一些无源元件，如光栅，设计者就可以把整个简单的光子子系统放在一个硅芯片上，这一点很有吸引力。在现实中，这个过程可能需要一些先进数字IC通常不使用的材料，但这些都不是制造的大障碍。

但仍然缺少两种重要的组件：激光光源和光放大器。它们的缺失是因为物理学的原因。晶体硅中电子的行为使得电子在释放能量时很难发射出光子，因此几乎不可能用晶圆上的单晶硅制造出好的激光器或光学放大器。但如果没有光源，且在许多情况下，如果没有光放大器，应用就无法进行。

寻找光子研究人员在寻找将激光器和放大器引入硅光子设备的方法时，主要遵循三种途径。最古老的方法是混合集成，一些供应商仍然提倡这种方法。你在所谓的III/V材料中制造激光器和光放大器，如磷化铟（indium phosphide）或砷化镓（gallium arsenide）。这些材料确实能让电子轻易地发出光子。然后通过光纤将这些组件连接到硅光子芯片上。这种方法是成熟的，但它非常占空间，增加了一个或多个额外die的成本。最严重的是，想要低成本地将光纤末端对准die上的光端口并将其固定在那里仍存在实际问题。目前仍在寻找解决方案，例如，涉及可调节的连接器。

第二种方法是异构集成。在这里，工程师们在加工过程中把III/V材料贴片机械地粘合到硅片上。然后，在加工过程中，他们制造激光器、光放大器和其他需要在III/V材料中发射光子的设备，同时在硅中制造其他光子元件。这可以实现更高的密度（例如，可以采用几十个微小的激光器），且几乎消除了组件之间的光耦合问题。你只需将激光器和放大器制作在准确的位置，以便在芯片上使用硅波导。但这意味着需要更复杂的晶圆加工，且整个子系统依赖于激光器的可靠性，在过去是一个严重的问题，但今天几乎已经解决了。Intel和HP等公司正在采用异构集成的方式来生产光收发器，在某些情况下可以量产。

硅微孔的按比例渲染。有源区被掺入p型和n型掺杂物，并与后端金属接触，形成一个电控的光调制器。（图片：Ayar Labs）

还有第三种方法。研究人员正在追求单片式集成：在硅片的晶格上外延生长晶体III/V材料。这种方案将比把材料薄片粘在晶圆的表面上有优势。但事实证明，处理这两种晶体之间的结构差异非常困难，导致了良率和故障率的问题。这项工作仍在继续。

对于未来的发展方向有两派观点。一种也许是更保守的，认为在微电子学的历史上，单片集成总是最终胜出，提供更高的密度、更低的功耗且最终的成本更低。

另一派则指出，即使是今天的微电子学也正在从巨大的全单片解决方案转向使用先进的多片封装技术的混合集成，如2.5D或真正的3D多片封装。这种观点认为，未来会有许多芯片，每一个都有自己的专门技术，在一个复杂的、高度工程化的封装中紧密耦合在一起。

将这一观点稍加概括，包括光子技术（不一定只基于硅）构成该封装中的一些chiplet。取代芯片之间的高带宽、低延迟连接的电气标准，光子学将需要高密度、容易对齐的波导互连标准，也许是在光学基板或类似于Intel电子硅桥的某种硅桥。也有可能简单地通过芯片之间的开放空间进行光束照射。

现在说哪一派的思想会最终胜出还为时过早。

新兴的应用

目前，硅光子学在用于通信和网络的电-光传感器领域已得到广泛认可。但不同需求的其它应用也正在出现。例如，高性能电路卡（特别是数据中心服务器卡）的设计者很想其电路板芯片之间有巨大带宽、低延迟和低功耗的光互连。但对于这种应用，你需要在集成电路封装的边缘安装光纤或波导终端。而且，你需要让电光传感器体积小、高效、低延迟，还要很便宜，这才能让许多电光传感器组合出现在电路板上的每个芯片上或旁边。所有这些在技术上都是可行的，但我们还没有做到。

我们还可以把目光投向光子学以外的地方，将其作为一种纯粹的数据移动手段。比如说ADAS和LiDAR。今天的LiDAR系统使用激光脉冲，以机械方式在一个FoV中扫描。他们测量返回光束的ToF来计算距离。

专家们说，下一个重大进步将不是脉冲，而是FMCW LiDAR，在这种LiDAR中，光束是连续的，在一定的频率范围内扫描。这样的光束可以让ToF传感器和光谱仪同时测量一个物体的距离和速度。

这在今天的光学实验台上是可能的，但硅光子学承诺提供所有的组件，从激光到固态扫描系统到光谱仪，在一个微小的量产封装中实现。这并不是一个空洞的承诺，Intel/Mobileye在CES 2021上展示了这样一个封装的原型。

在医疗诊断领域，类似的实验也在不断成熟。欧洲研究联盟Imec已经展示了一些使用光作为传感装置的诊断仪器。在一个案例中，研究人员将抗体与环形谐振器（一种光-电转换器）结合。当抗体遇到其特定的抗原时，会与之结合，稍微改变环形谐振器的谐振频率，从而使光子电路能够检测到样品中存在的抗原。

在其他情况下，研究人员能够使用更传统的吸收或拉曼光谱来检测溶液中的特定有机分子，如血液。同样，产生相对宽光谱的光和执行光谱学的光学元件是在光子学中实现的。有趣的是，在这些情况下，仅仅一个窄带的红外光是不够的。研究人员不得不用对可见光透明的不同材料制成的波导取代他们的硅光波导。

在一个完全不同的例子中，研究人员使用了一个激光干涉仪系统（同样是在硅光子学中实现的）来测量受试者的皮肤在其脉搏的压力波通过动脉时的起伏程度。从这个数据中，研究人员能够确定压力波的传播速度，这使他们能够估计动脉壁的硬度和闭塞程度（这是心血管疾病的一个重要指标）。因此，医生可以在几分钟内无创地对心血管风险作出准确诊断。

快速、低功耗的计算

这些例子表明，光子学不仅仅是移动数据，而是进行测量，并在一定程度上分析结果。一些研究人员认为这是该领域发展中最重要一步的开始。他们指出，今天在计算中使用的许多算法都包含可以在光学模拟计算机中实现的计算需求内核。在某些情况下，还有可能使用一束激光的单一脉冲取代数百万条机器指令。

提高计算速度和减少功耗的前景是巨大的。而且已经有了一些关于这个概念的简单演示。例如，宾夕法尼亚大学的研究人员已经在光学中构建了一个微小的神经网络，展示了其识别印刷字符的能力。原则上，云计算和嵌入式计算都可以利用硅光子学中实现的算法加速器，就像今天这些领域依靠硅电子加速器来加速AI、视觉处理和数学算法一样。

迈向基础设施

目前正在进行的工作需要将大量不同的光学设备，包括激光器、波导、放大器、谐振探测器、光栅和更多的设备集成到硅片上或靠近硅片的地方。

对于一个与半导体工艺工程师合作的光学物理学家来说，这是很有吸引力的事情。为了使这项工作对单纯的人类设计团队来说切实可行，硅光子学开发者需要一个像IC设计师那样的设计基础设施：组件库、布局图和模拟工具，以及准备提交给fab的设计所需的工艺信息。

这样的设计环境已经在进行中了。例如，Synopsys已经宣布了类似的工具链和一些硅光子foundry工艺的设计套件，并声称有1500多个流片。其他公司正在Synopsys工具的基础上创建相当于光子系统的设计平台。

随着光子元件的基础物理学越来越成熟，封装技术也在迎接挑战，越来越多的工艺选择和设计基础设施的发展，硅光子学看起来越来越有能力，远远超出了它目前在数据传输领域的地位。

考虑到廉价的，甚至是一次性的硅光子器件的最终前景，它们可以比在硅上运行的软件更快、以更低的功耗进行测量和执行复杂的计算，不断增长的能力可能影响到的不仅是微电子，可能还会对社会产生巨大的影响。

审核编辑：黄飞