浅谈Silicon Photonics芯片

Silicon Photonics芯片吸引着公司和研究人员的主要原因是成本低，功耗低，其中Si是导光的良好材料。随着CMOS晶体管尺寸逐渐减小，光学器件却无法继续缩减，成了研究人员极其关注的一个研究方向。

其实，从上个世纪八九十年代开始，谈“摩尔定律”色变的各位先行者就开始探索半导体芯片的继任者，企图在硅芯片发展到物理极限时取而代之。笔者还记得当初上学时，老师告诉我们CMOS工艺发展到十几纳米左右就会到物理极限。结果现在7nm的芯片都造出来了，代替CMOS工艺的成熟技术还没有大规模应用。

这里，我们就介绍一下一种传说中在“More than Moore”中的技术。Silicon Photonics。

早在1969年，贝尔实验室的S.E.Miller首次提出了集成光学的概念。随着微电子集成电路的发展，1972年，S.Somekh和A.Yarive提出了在同一半导体衬底上集成光学器件和电器件的设想。上世纪90年代，随着硅基集成电路尺寸逐渐减小，其特征尺寸已进入光通讯波长范围。另外，Si和SiO2材料之间的折射率差别较大，（Si大约3.45，SiO2大约1.44），容易发生全反射，这也有利于减小光集成器件尺寸，提高光芯片的密度。然而，从另一方面来说，在CMOS晶体管尺寸已经缩小到10nm左右的今天，由于光学衍射效应，集成光学器件的尺寸无法继续缩小，这也在一方面限制了硅光芯片的发展。因此，目前所说的Photonic Integrated Circuits （PIC），都是指在片上集成光连接和光电转换器件，再转换成电学信号用CMOS集成电路进行处理。而不再是如最初提出时一般，用光学器件来完全取代晶体管。

正如上图所示，现在我们也只是发展到光纤到户，许多data center会用到光纤的板级互连。但最下面的芯片级通讯，现在各大公司和科研院所已经有了demo的chip，100G的模块已经基本成熟，但距离市场级的全面应用还尚有很大的距离。（PS：上面那篇文章发表于2002年，现在15年过去了，距离该作者的预言尚未完成一半，不知道该是庆幸还是悲伤。。。）

其实，说了这么多，Silicon Photonics能够让许多公司和研究人员对此趋之若鹜的主要原因就在于成本低，功耗低，而且Si是导光的良好材料。由于SOI工艺的发展，一般的SOI上Si的光波导的损耗已经可控制在2、3dB/cm。但是，现在还有一些缺陷限制了它的广泛使用：

如何光电互连：即光源Laser和Photodetector。Si材料本身是间接带隙，因此现在所有光源都必须添加其他材料进行制作，比如III-V或Ge，这意味着无法在与标准CMOS SOI工艺上制作全部的光学器件。这也同时引入了一系列的成本问题。

如何控制光：是指控制波长的偏差。由于光学器件是与尺寸，厚度，doping等工艺参数息息相关。比如根据测试结果可知，Grating coupler的poly silicon厚度偏移10%，coupling的波长会移动50nm左右。再比如片上的Photonic Modulator，很多还尚且需要Heater来进行调节。这也给系统的复杂度和成本带来了挑战。

如何集成：随着CMOS晶体管尺寸逐渐减小，而光学器件由于波长和衍射的限制却无法继续缩减，这也是比较有趣的一点。此外，在光芯片和电芯片之间的package也是一个值得研究的方向。

下面举一个SiPh Communication芯片的例子：

Source： C. Sun， et al. “Single-chip microprocessor that communicates directly using light”， Nature， 2015.

该文章公布了一个可以称之为Microprocessor的系统，理论上传输速度550Gb/s。有兴趣的同学可以去找来看一下（PS：其实笔者不清楚为什么它的传输波长不在业界通用的1550nm或1310nm）。对于这种所谓的光通讯，其实笔者觉得可以这样来简易理解：我们把它分成光和电两部分来看。电信号的处理部分，其实就是Serdes加上Digital Processing；而光学部分的功能，说白了就是先用电信号把光信号进行调制，发送出去后送到接收端的Photodetector，再转化成电信号。只不过每一步都有一些特别的模块用来调节。

总之，希望能通过这篇简单的介绍，能够让大家对Silicon Photonics有一个大体的了解。倘若有同学比较感兴趣，期待多多交流，共同进步。