探析硅光学技术的原理、种类及优势

当互联网流量在用户和数据中心之间传递时，越来越多数据通信发生在数据中心，让现有数据中心交换互联变得更加困难，成本越来越高，由此技术创新变得十分重要与紧迫。

现在有一种半导体技术——硅光子，具有市场出货量与成本成反比的优势，相比传统的光子技术，硅光器件可以满足数据中心对更低成本、更高集成、更多嵌入式功能、更高互联密度、更低功耗和可靠性的依赖。

微电子技术按照“摩尔定律”飞速发展已有五十几年了，但随着器件的特征尺寸减小到十几个纳米以下，微电子产业能否再依照“摩尔定律”前进已面临挑战。器件的速度、功耗和散热已经成为制约微电子技术发展的瓶颈。另一方面，基于计算机与通信网络化的信息技术也希望其功能器件和系统具有更快的处理速度、更大的数据存储容量和更高的传输速率。仅仅利用电子作为信息载体的硅集成电路技术已经难以满足上述要求。因此，应用“硅基光电子技术”，将微电子和光电子在硅基平台上结合起来，充分发挥微电子先进成熟的工艺技术，大规模集成带来的低廉价格，以及光子器件与系统所特有的极高带宽、超快传输速率、高抗干扰性等优势，已经成为了信息技术发展的必然和业界的普遍共识。

什么是硅光技术?

硅光子是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术,用激光束代替电子信号传输数据,她是将光学与电子元件组合至一个独立的微芯片中以提升路由器和交换机线卡之间芯片与芯片之间的连接速度。

硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料(如 SiGe/Si、SOI 等)，利用现有 CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，是应对摩尔定律失效的颠覆性技术。这种组合得力于半导体晶圆制造的可扩展性，因而能够降低成本。

硅光子架构主要由硅基激光器、硅基光电集成芯片、主动光学组件和光纤封装完成，使用该技术的芯片中，电流从计算核心流出，到转换模块通过光电效应转换为光信号发射到电路板上铺设的超细光纤，到另一块芯片后再转换为电信号。

从大的思路来看,未来的芯片的提速需要芯片间和芯片内的通讯速度**加快,目前单纯的电子迁移速度不能满足要求,而利用光传输则可以有效的解决这一问题。硅光子为此应运而生

硅光技术的价值

硅光在国家安全布局上具有重要的战略价值。

1、传统光器件使用磷化铟做材料,只负责数据的交换,而不负责数据的处理和存储,因此安全价值仅限于保障通信不断,但是硅光使用硅作为材料,数据的处理、存储和交换全部在硅上面完成,如果技术完全被国外厂商垄断,后果不堪设想;

2、受制于量子效应,通过制程改进来提升单核处理器计算性能的方式将会淡出,或者说摩尔定律进入失效期,唯一的解决方案是多核并行计算,根据吉尔德定律,带宽的增长速度至少是运算性能增长速度的3 倍,因此硅光替代集成电路是必然。

硅光技术的发展

硅光技术基于1985年左右提出的波导理论，2005-2006年前后开始逐步从理论向产业化发展，Luxtera、Kotura等先行者不断推动技术和产业链的发展，形成了硅光芯片代工厂(GlobalFoundries、意法半导体、AIM等)、激光芯片代工厂(联亚电子等)、芯片设计和封装(Luxtera、Kotura等)较为成熟的Fabless产业链模式，也有Intel为代表的IDM模式，除激光芯片外，设计、硅基芯片加工、封测均自己完成)。

硅光学技术的种类

硅光电子学包括硅基光子材料、硅基光子器件和硅基光子集成三个主要方面。

硅基光子材料

1、硅基纳米发光材料

目前的研究重点是如何有效地控制硅纳米晶粒的尺寸和密度，以形成具有小尺寸和高密度的有序纳米结构。制备方法有：通过独立控制固体表面上的成核位置和成核过程实现自组织生长;在掩蔽图形衬底上的纳米结构生长;扫描探针显微术的表面纳米加工;全息光刻技术的纳米图形制备以及激光定域晶化的有序纳米阵列形成等。

2、硅基光子晶体

光子晶体具有合成的微结构、周期性变化的折射率以及与半导体潜在电子带隙相近的光子带隙。根据能隙空间分布的特点，可以将其分为一维、二维和三维光子晶体。光子晶体的实际应用是人们所关注的焦点，而与成熟的硅工艺相结合是人们非常看好的方向，可出现全硅基光电子器件和全硅基光子器件，因此制备硅基光子晶体及其应用将是以后的研究重点。在所有光子晶体制备方法中，运用多光束干涉的全息光刻法有着许多优点：通过照射过程能够制成大体积一致的周期性结构，并能自由控制结构多次。通过控制光强、偏振方向和相位延迟，制成不同的结构。

硅基光子器件

1、硅基发光二极管

作为硅基光电子集成中的光源，硅基发光二极管(Si-LED)的实现是硅基光电子学研究中的一个主攻方向。目前的研究重点有：如何采用适宜的有源区材料，实现其高效率和高稳定度的发光;从器件实用化角度考虑，如何实现Si-LED在室温下的电致发光。研究人员已尝试了三种硅基纳米材料用于高效率Si-LED的制作，即硅纳米量子点，高纯体单晶硅和掺Er3+的硅纳米晶粒。目前报道最好的结果是韩国科学家研究的由镶嵌在SiNx膜层中的硅纳米量子点所制成的电致发光LED，室温下的外量子效率可高达1.6%。

2、硅基激光器

目前，人们已初步提出了三种能产生光增益或受激辐射的增益介质材料，即具有高密度和小尺寸的有序硅纳米晶粒，基于内子带跃迁的硅/锗量子级联结构和具有受激喇曼散射特性的绝缘硅(SOI，Silicon-On-Insulator)光波导结构。2005年2月17日的《Nature》杂志上报道了Intel公司利用喇曼效应研制出了世界上第一台连续光全硅激光器。

3、硅基光探测器

硅基光探测器是硅基光电子集成中的光信号接收器件，它应具有良好的光响应特性，较高的探测灵敏度，小的暗电流和宽频带等优点。由麻省工学院材料科学与工程系研制的Ge-PIN光探测器，在1310nm、1550nm、1620nm波长的响应率分别为：600mA/W、520 mA/W、100 mA/W。该探测器能够覆盖光通信整个C band和大部分L band范围，具有2.5GHz的3dB带宽，在1310nm和1550nm的性能能够和目前用于通信的商用铟镓砷(InGaAs)探测器相比拟。

4、硅基光调制器

光调制器是利用材料折射率的变化，对传输光的相位和波长进行调制的光波导器件。由于硅材料不具有线性光电效应，所以一般硅基光调制器和光开关是基于硅的热光效应和等离子色散效应而设计的。2004年2月，Intel率先在享有很高声誉的《Nature》科学杂志上宣布他们研制成功了Gbit/s的硅光调制器。仅过了一年，Intel的研究员证实他们的光调制器的传送速率已经达到10Gbit/s。

硅基光子集成

研究人员已提出了两种可供参考的集成方案：光电混合集成和单芯片集成。但硅基光子集成工艺却有着很大难度，这是因为：光子器件和电子器件的结构复杂，两者在结构设计上存在着能否相互兼容的问题;制作工艺繁杂，因而存在着各种工艺和前后工序之间能否相互兼容的问题;电互连、光互连与光耦合等问题。结构设计与制作工艺的相容性问题则是能否实现硅基光子集成的关键所在。

硅光芯片

在光通信领域也存在“摩尔定律”现象，称之为“光学习*定律”，即网络流量每2年实现翻倍，骨干光通信设备每3年升级一次。爆发式的流量增长，给光通信骨干网络带来很大的压力。但是，当前基于InP和GaAs半导体材料制成的光芯片成本居高不下，制约了光通信线路容量对流量爆发的承载，以硅为半导体材料的硅基光电子技术应运而生。

早在上世纪90年代，IT从业者就开始为半导体芯片产业寻找继任者。光子计算、量子计算、生物计算、超导计算等概念一时间炙手可热，它们的目标都是在硅芯片发展到物理极限后取而代之。

其中光子计算一度被认为是最有希望的未来技术。与半导体芯片相比，光芯片用超微透镜取代晶体管、以光信号代替电信号进行运算。光芯片无需改变二进制计算机的软件原理，但可以轻易实现极高的运算频率，同时能耗非常低，不需要复杂的散热装置。与电脑对应，设想中的光学计算机被称作“光脑”。早年甚至有人预言2015年光脑就会开始取代硅芯片。

但是现实并不尽如人意，科学家和工程师很快就发现制造纳米级的光学透镜是如此困难，想在小小芯片上集成数十亿的透镜远远超出了人类现有的技术水平。

好在科研单位并未放弃将光线引入芯片世界的努力。很快人们发现用光通路取代电路来在硅芯片之间传输数据是很有潜力的应用方向：光信号在传输过程中很少衰减，几乎不产生热量，同时可以轻松获得恐怖的带宽;最重要的是在硅芯片上集成光学数据通道的难度不算太高，不像光子计算那样近乎幻想。于是从21世纪初开始，以Intel和IBM为首的企业与学术机构就开始重点发展硅芯片光学信号传输技术，期望有朝一日能用光通路取代芯片之间的数据电路。

硅光学技术的目标就是在芯片上集成光电转换和传输模块，使芯片间光信号交换成为可能。使用该技术的芯片中，电流从计算核心流出，到转换模块通过光电效应转换为光信号发射到电路板上铺设的超细光纤，到另一块芯片后再转换为电信号。

硅光PID技术优势

PID技术采用硅光子集成技术，利用统一的CMOS工艺平台，一举突破早期PID在集成度、性价比和功耗的诸多瓶颈。

高集成度

目前，PID技术除了硅光子集成，还有二氧化硅平面光波导(SiO2-PLC)，III-IV族材料(如InP)单片集成。相比其他二者，硅光PID的集成度最高，主要体现在其器件体积最小，因而同样的空间可以容纳几倍的器件规模。

集成光器件中，波导的尺寸占据整体器件尺寸的大部分，而波导波导芯层材料与波导包层材料的折射率差直接影响波导的弯曲半径，折射率差越大，弯曲半径越小，则器件尺寸越小。硅光波导的折射率差是目前所有商用光波导中最大的，因此能够实现极小的器件尺寸。如图2所示，对于阵列波导光栅(AWG)而言，在二氧化硅平台下，面积为平方厘米量级;而在硅光平台下，却只有前者的千分之一。

高性价比

除了集成度，硅光PID技术在性价比上具有极大的优势。

首先，传统的光器件，其采用不同的材料来实现不同功能，各种材料对应生产工艺不同，因此一个器件的生产涉及众多环节;此外，传统分立器件装配大量依靠手工调试和校验，生产效率低，因此导致光器件价格居高不下。硅光PID技术可以利用硅基制备除光源外的各种光功能器件，即通过单一工艺流程实现整个器件的制备，并利用了现有成熟的微电子加工工艺(CMOS工艺)实现规模化、自动化生产，避免了产线重复投资，有利于降低相关投资。

上图所示为InP材料和硅基材料的晶圆尺寸对比，显然受到材料制备特性的限制，传统III-IV族光电器件仅能够在3-4英寸晶圆上面实现，而硅光器件却能够在8-12英寸晶圆上面一次加工，且硅光芯片尺寸更小，因此能够在一次加工中得到更多的芯片，也使得生产单个硅光芯片的费用远低于传统光电芯片。

低功耗

相比传统技术， 硅光PID技术在功耗上占据极大优势。传统光器件由多种材料组成不同的功能器件，上图所示为一个普通的发射机结构，激光器、调制器和连接波导分别用InP、LiNbO3和SiO2三种不同材料制成。各功能器件连接处由于材料的晶格结构不同，导致晶格失配，接触界面不连续有缺陷，光在其中传播就会产生散射而损耗;此外，由于不同材料折射率不同，光在介质间传播也会导致不同程度的反射和折射，也产生一部分损失。上图显示了光信号在传统器件不同材料中传播损耗的示意图。而硅光PID技术由于统一工艺材料，所以器件内部没有多材料导致的光损耗，因此为了获得与传统器件同样的输出功率，其光源的发射功率要低很多，因此模块的功耗也相应降低了。

硅光技术的应用领域

硅光技术的高度集成特性在对尺寸更加敏感的消费领域存在更大需求，消费电子、智能驾驶、量子通信等领域有很大的发展空间。

消费电子

硅光的高集成度特性非常适合消费电子的需求，在有限的空间集成更多的器件，针对消费电子的硅光应用或有更多应用场景。

智能驾驶

目前车载激光雷达(LiDAR)已经成为比较成熟的技术路线，飞行时间法全固态LiDAR是主流技术路线，其中还可分为激光多束发射、可操纵相控阵列和泛光面阵发射等模式。

LiDAR需要多个激光发射源和接收器，或使用多路信号控制，硅光的高度集成性和电光效应相位调谐能力非常适宜LiDAR应用，目前有MIT、OURS等多个团队推出基于硅光的LiDAR产品，随着无人驾驶、辅助驾驶应用逐步成熟，LiDAR有望成为硅光重要应用领域。

量子通信

量子通信需要制备纠缠态的光子，并对其进行操控和分析，硅光技术非常适合复杂光路控制和高集成度，北大团队2018年3月在Science上发表了基于硅光的量子纠缠芯片的设计。

量子通信在长途干线、金融等机构保密设备、数据中心加密等领域有广泛的应用空间，基于硅光的量子通信芯片有望成为未来重要的技术方案。

从光模块和芯片技术的角度看，目前支持面部识别、环境识别、短距离高速互联等的技术均有一定积累和相应的产品方案，但由于智能驾驶、面部识别算法和具体应用、光子计算等下游需求尚未成熟和普及，光模块和芯片在消费领域的应用仍然较少，且需求快速落地的驱动因素不是由光模块产业链决定，而是由下游应用端的厂商决定，需要更切中用户痛点的新设计、新算法和新产品模式，才能打开下游消费需求。

硅光技术发展的四大技术难题

一、硅光子芯片技术的设计痛点

硅光芯片的设计方面面临着架构不完善、体积和性能平衡等难题。硅光芯片的设计方案有三大主流：前端集成、混合集成和后端集成。前端集成的缺点是面积利用率不高、SOI衬底光/电不兼容、灵活性低和波导掩埋等，在工艺上的成本超高;后端集成在制造方面难度很大，尤其是波导制备目前而言很有挑战;至于混合集成，虽然工艺灵活，但成本较高，设计难度大。

二、硅光子芯片技术的制造难题

硅光芯片的制造工艺面临着自动化程度低、产业标准不统一、设备紧缺等技术难关。由于光波长难以压缩，过长的波长限制芯片体积微缩的可能。同时光学装置须要更精确的做工，因为光束传输的些微偏差会造成巨大的问题，相对需要高技术及高成本。光子芯片相关的制程技术尚有待完善，良品率和成本将是考验产业的一大难题。

三、硅光子芯片面临的封装困扰

芯片封装是任何芯片的必经流程，关于硅光子的芯片封装问题，这是目前行业的一大痛点。硅光芯片的封装主要分为两个部分，一部分是光学部分的封装，一部分是电学部分的封装。从光学封装角度来说，因为硅光芯片所采用的光的波长非常的小，跟光纤存在着不匹配的问题，与激光器也存在着同样的问题;不匹配的问题就会导致耦合损耗比较大，这是硅光芯片封装与传统封装相比最大的区别。用硅光做高速的器件，随着性能的不断提升，pin的密度将会大幅度增加，这也会为封装带来很大的挑战。

四、产业相关的器件难题

硅光芯片需要的器件很多，而目前仍有很多相关技术难题未解决。如硅基光波导主要面临的产品化问题：硅基光电子需要小尺寸、大带宽、低功耗的调制器。有源光芯片、器件与光模块产品是重点器件，如陶瓷套管/插芯、光收发接口等组件技术目前尚未完全掌握。

在摩尔定律的推动下，经过几十年的发展，电子芯片逐渐遇到性能瓶颈，尤其是速度与大数据带来的巨大压力。光子芯片具有明显的速度优势，可使芯片运算速度得到巨大提升。伴随着人工智能、物联网发展，光子芯片在智能终端、大数据、超算等领域将发挥巨大作用。正是有着如此多的优势和特点，在大数据、生命科学、激光武器等高端领域其作用不可替代。未来，光子芯片的前景广阔，其应用未必比电子芯片少。可以预见的是， 将来是一个光子芯片、电子芯片平分天下的局面。