周治平：硅基光電子學(xué)引發(fā)產(chǎn)業(yè)革命 產(chǎn)業(yè)化亟需多方努力

　　ICCSZ訊  未來(lái)計(jì)算機(jī)和消費(fèi)類電子產(chǎn)品性能的提高將主要依賴于中央處理器芯片之間和芯片內(nèi)光信號(hào)的互連，光互連技術(shù)作為解決不斷增長(zhǎng)的通信容量和密度的方案已經(jīng)成為業(yè)界共識(shí)。

　　目前光互連技術(shù)主要有基于III-V族半導(dǎo)體材料體系和基于IV族硅等與CMOS工藝兼容的材料體系兩種。III-V族材料體系雖然光學(xué)性能較好，但成本很高、加工困難、集成度不高。為了滿足低成本、大容量、高密度的光互連方案要求，硅基光電集成技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

　　硅基光電子學(xué)引發(fā)產(chǎn)業(yè)革命

　　硅基光電集成技術(shù)尤其是在低成本、高集成度方面具有不可替代性。硅基光電集成的優(yōu)勢(shì)主要來(lái)源于成熟的硅基微電子CMOS技術(shù)，包括易于獲得、成本低廉的硅基材料，大批量、高良率的大規(guī)模集成技術(shù)，以及可擴(kuò)展、可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

　　硅基光電子學(xué)一經(jīng)提出，就受到了國(guó)際上的廣泛重視。北京大學(xué)教授、光子學(xué)研究主編周治平早年就職于喬治亞理工學(xué)院，成為最早研究硅基光電子學(xué)的學(xué)者之一。當(dāng)他回國(guó)后， 于2006年獲得了一項(xiàng)80萬(wàn)元的973預(yù)研小項(xiàng)目“新型硅基微納光電子器件及集成技術(shù)基礎(chǔ)研究”。項(xiàng)目雖小，卻標(biāo)志著中國(guó)政府對(duì)硅基光電子學(xué)支持的開(kāi)始。自此之后，在周治平教授及相關(guān)研究人員的不斷宣傳和推動(dòng)下，硅基光電子集成研究越來(lái)越受到重視。

　　值得一提的是，2011年周治平教授團(tuán)隊(duì)獲得了863項(xiàng)目“硅基集成100Gbit/s相干接收及傳輸模塊技術(shù)”的支持，2012年又獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金重大國(guó)際合作項(xiàng)目“低功耗微/納光電子集成技術(shù)基礎(chǔ)研究”的支持。

　　我國(guó)第一片硅基集成100Gb/s相干發(fā)射與接收芯片誕生

　　在國(guó)際上，IBM于2012年在標(biāo)準(zhǔn)的90納米CMOS工藝線上集成了含有波分復(fù)用技術(shù)的光電子和微電子系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)吞吐率達(dá)100Gbit/s;2013年，Intel向全世界宣布了速度達(dá)100Gbit/s的芯片運(yùn)行狀況，并決定芯片生產(chǎn)線投產(chǎn)運(yùn)行。

　　近10年來(lái)，中國(guó)的硅基光電子集成研究也得到了極大的發(fā)展，北京大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)等院校，以及中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所等科研機(jī)構(gòu)均在該領(lǐng)域取得了一系列進(jìn)展。

　　尤其是2013年思科以2億美元的價(jià)格收購(gòu)了硅基光電子技術(shù)公司lightwire(擁有100Gbit/s的芯片)，開(kāi)始深入硅基光電子技術(shù)，這引起了我國(guó)華為、中興、烽火通信等企業(yè)的重視。我國(guó)企業(yè)也開(kāi)始在硅基光電子芯片方面進(jìn)行投入，開(kāi)展該領(lǐng)域的研發(fā)工作。

　　周治平教授透露，其領(lǐng)導(dǎo)的北京大學(xué)硅基光電子及微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出我國(guó)的第一片硅基集成100Gb/s相干發(fā)射與接收芯片，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白;除此之外，在降低硅基光電子器件的能耗方面也做了很多工作，目前在Mod-WDM系統(tǒng)的能耗降低方面已經(jīng)找到了一條切實(shí)有效的路線。

　　另外，由于硅材料自身物理性能的限制，硅基激光器的實(shí)現(xiàn)一直被譽(yù)為世界性難題。周治平教授表示，IV族半導(dǎo)體硅、鍺材料是間接帶隙，實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射比較困難，但部分硅基光電子集成芯片所需的片上光源不一定是硅基激光器，也可通過(guò)在硅基材料上生長(zhǎng)其他材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方案能夠利用發(fā)光特性較好的材料，因而目前看來(lái)較有前景。在另一方面，通過(guò)對(duì)硅鍺材料的能級(jí)改造來(lái)實(shí)現(xiàn)激光仍然是一種值得追求的路徑。

　　技術(shù)產(chǎn)業(yè)化亟需產(chǎn)學(xué)研多方努力

　　周治平教授坦言，目前硅基光電子技術(shù)仍面臨困難，其面臨的挑戰(zhàn)主要在能耗和片上光源方面?，F(xiàn)在有部分硅光產(chǎn)品已經(jīng)商用，其通信速率雖然大大超過(guò)了銅互連，但能耗也顯著升高。未來(lái)隨著通信速率的不斷提高和硅光的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)低能耗會(huì)變得越發(fā)迫切。片上光源問(wèn)題目前是通過(guò)將成熟的III-V族激光器flip-chip貼片到硅基光電芯片上來(lái)解決。未來(lái)若能在硅基光電芯片上實(shí)現(xiàn)光源的直接集成，在成本、集成度、可靠性和生產(chǎn)率方面還會(huì)有所提升。

　　我國(guó)硅基光電子技術(shù)在器件設(shè)計(jì)方面并不落后，但在實(shí)現(xiàn)芯片系統(tǒng)集成能力方面仍然比較落后。“在硬件方面，我國(guó)的加工技術(shù)還不夠完善，有能力的加工單位較少，封裝技術(shù)也不如外國(guó)成熟。在系統(tǒng)協(xié)同方面，我國(guó)產(chǎn)學(xué)研的合作還可以進(jìn)一步加強(qiáng)。”周治平教授指出。

　　硅基光電子集成技術(shù)已經(jīng)可以產(chǎn)業(yè)化，并且國(guó)外已經(jīng)在進(jìn)行。周治平教授認(rèn)為，我國(guó)要想盡快地享受到這一技術(shù)所帶來(lái)的好處，還需要滿足以下3個(gè)重要條件：首先，政府和投資界的高度重視和投入以確保我國(guó)不再輸在起跑線上;其次，亟需光電子和微電子行業(yè)的協(xié)同合作推出低成本、高可靠的通用性產(chǎn)品;最后，應(yīng)用行業(yè)的開(kāi)放態(tài)度以利于抓住這一革命性的機(jī)會(huì)。

　　充分利用高校、研究所的學(xué)術(shù)研究能力以及產(chǎn)業(yè)界雄厚的資金和技術(shù)實(shí)力，各界齊心協(xié)力才能更好地推動(dòng)硅基光電子技術(shù)在我國(guó)的迅速發(fā)展。