硅基光電子：微電子與光電子的交融點

  摘 要

  在以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代信息社會，硅基光電子已經(jīng)成為最具潛力的高效率、低成本片上解決方案。它的優(yōu)勢來源于成熟微電子技術(shù)和寬帶光電子技術(shù)在微納范疇內(nèi)的有機結(jié)合。近年來，社會各界對這門學(xué)科的興趣呈指數(shù)性增長。其應(yīng)用也從最初的微電子擴展到通信、計算、傳感、人工智能，乃至消費領(lǐng)域。揭示了硅基光電子發(fā)展的最初動機和挑戰(zhàn)，評述當前的研發(fā)進展，并討論其巨大的應(yīng)用價值。希望以此推動微電子與光電子業(yè)界的進一步深度合作，使這個高效率、低成本的片上解決方案早日進入現(xiàn)代人的日常生活。

  最初動機和挑戰(zhàn)

  近50年來，微電子學(xué)一直是現(xiàn)代信息社會發(fā)展的驅(qū)動力。微電子芯片的發(fā)展遵從摩爾定律，即平均每18～24個月，其性能提升一倍，或者價格下降一半，以更大的集成度獲得更高的信息處理性能。但近年來，微電子芯片的微縮周期因受到物理、技術(shù)、經(jīng)濟各方面的限制而逐漸變慢，摩爾定律面臨失效。到2020年，微電子技術(shù)可能從當前5nm工藝節(jié)點提升至2～3nm節(jié)點，然而在2～3nm尺度下可容納原子數(shù)量不到15個，由于量子效應(yīng)的影響加劇，晶體管的不可靠性顯著增加，嚴重阻礙了微電子技術(shù)的進一步發(fā)展。但是，現(xiàn)代社會對信息高速處理的需求卻并未因微電子技術(shù)的滯后而降低，信息擁堵問題成為最先凸顯出的矛盾。以多核處理器和三維存儲相關(guān)的半導(dǎo)體技術(shù)為例，隨著先進系統(tǒng)的進一步升級，三維存儲技術(shù)迫切需要越來越高的傳輸速度。傳統(tǒng)的電子信息互連架構(gòu)主要是通過銅介質(zhì)進行電子傳導(dǎo)實現(xiàn)的，這種架構(gòu)的信息傳輸速度和距離受限于RC時間常數(shù)以及電學(xué)損耗，所需銅線的直徑將隨著傳輸速度和傳輸距離的增加而顯著增加，當進行100km、10Gbps電學(xué)信號的傳輸時，所需的銅線直徑將達到驚人的200m[1]，因此基本無法使用，信息擁堵問題就此產(chǎn)生。

  為了解決信息擁堵問題，人們注意到了另一種信息載體——光子。光子作為信息傳遞的載體，相比電子，具有穩(wěn)定可控的調(diào)制和復(fù)用維度，如振幅、相位、波長、偏振態(tài)、模式等，具有更大的帶寬、更高的頻譜利用率和通信容量。而硅基光電子學(xué)正是探討微米/納米級光子、電子、及光電子器件的新穎工作原理，并使用與硅基集成電路技術(shù)兼容的技術(shù)和方法，將它們集成在同一硅襯底上的一門科學(xué)[2]。利用硅基光電子技術(shù)有望實現(xiàn)微電子器件和光電子器件的大規(guī)模集成和超低功耗特性，從而獲得性能優(yōu)越的硅基光電子芯片，是解決傳統(tǒng)微電子學(xué)所面臨信息擁堵問題的有效方法。

  硅基光電子技術(shù)誕生伊始主要用于解決芯片內(nèi)光互連的問題，并逐漸擴展到通信以及數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)微電子技術(shù)相比，硅基光電子技術(shù)不僅繼承了微電子方面尺寸小、耗電少、成本低、集成度高等特點，也集成了來自于光電子的多通道、大帶寬、高速率、高密度等優(yōu)點。硅基光電子技術(shù)發(fā)展至今，得益于大容量數(shù)據(jù)通信場景的日益增加以及新需求、新應(yīng)用的出現(xiàn)，已逐漸從學(xué)術(shù)研究驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌鲂枨篁?qū)動。在硅基光電子芯片上，可集成信息吞吐所需的各種光子、電子、光電子器件，包括光波導(dǎo)、調(diào)制器和探測器和晶體管集成電路等[3-5]，硅基光電子的學(xué)科/技術(shù)體系已基本建立。

  硅材料是制備微電子芯片的最佳材料，具備良好的電學(xué)特性，但其在光電特性方面的“先天不足”使得硅基光電子技術(shù)在低能耗和大規(guī)模集成方面面臨一定的挑戰(zhàn)。

  1.能耗

  (1)單晶硅作為間接帶隙的半導(dǎo)體材料，難以實現(xiàn)受激光子輻射。因此，實現(xiàn)低能耗、低閾值的硅基片上激光光源，往往需要考慮多種材料的異質(zhì)集成。

  (2)硅單晶具有良好的晶格對稱性，其線性電光效應(yīng)為零，不利于線性、低能耗的片上信號調(diào)制和信息加載。

  (3)硅的禁帶寬度為1.205eV，對應(yīng)的光譜響應(yīng)截止波長約為1100nm，無法高效地探測1.1～12μm通信和傳感波段的光波。

  (4)硅的熱光系數(shù)，比氮化硅、氧化硅等無源材料大1個數(shù)量級(室溫下約為1.85×10-4K-1)。環(huán)境溫度變化和芯片熱量堆積對硅基光電器件的性能影響較為明顯，而溫控將增大芯片的能耗。

  2.大規(guī)模集成

  由于“衍射受限”，傳統(tǒng)光電子器件的尺寸往往是微米，甚至毫米量級，很難達到納米級別。由此導(dǎo)致的占地面積大和難以與微電子器件高效耦合/對接兩大問題，使得硅基光電子芯片的集成度目前還無法與微電子芯片相比擬。

  然而，隨著硅基光電子學(xué)在學(xué)術(shù)研究上的深入探討和在產(chǎn)業(yè)技術(shù)上的不斷革新，硅材料的局限性也被一一突破。如選用適宜的光源材料，實現(xiàn)低閾值高效率的硅基片上光源;通過熱不敏感的器件設(shè)計，降低甚至消除溫控能耗;通過混合表面等離子體器件，來縮小光電子器件的尺寸，實現(xiàn)大規(guī)模的片上集成等。未來，硅基光電子技術(shù)將會在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共同推動下，日趨成熟。

  當前的研發(fā)現(xiàn)狀

  在大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代通信需求的推動下，硅基光電子技術(shù)得到了長足的發(fā)展，并以光電子與微電子的深度交融為標志開啟了后摩爾時代。為了進一步突破硅材料的局限性，將硅基光電子技術(shù)應(yīng)用到更為廣泛的信息技術(shù)領(lǐng)域，當前的研究重點開始集中到大規(guī)模集成和低能耗系統(tǒng)兩個領(lǐng)域。在大規(guī)模集成方面，應(yīng)用于大容量數(shù)據(jù)通信的硅基光電收發(fā)芯片是目前研究程度最深、應(yīng)用最廣泛的硅基光電子芯片之一。圖1為2014年北京大學(xué)周治平課題組研制出的100Gbps硅基光電收發(fā)芯片[6]，填補了國內(nèi)在該領(lǐng)域的空白。該芯片在幾平方毫米面積上，實現(xiàn)了偏振分束器、光柵、耦合器、光混頻器、調(diào)制器和探測器等數(shù)十個光電器件的系統(tǒng)集成，并實現(xiàn)了100Gbps數(shù)據(jù)的調(diào)制發(fā)射和相干接收，信號傳輸100km后誤碼率可實現(xiàn)優(yōu)于10-5量級。

  圖1. 100Gbps硅基光電收發(fā)芯片

  2018年，麻省理工學(xué)院的Ram課題組探索了兩種與CMOS工藝兼容的光電單片集成平臺。第一種是在不改變CMOS工藝步驟的條件下，首次實現(xiàn)了硅基光電子器件與45nm和32nmSOI微電子器件的單片集成。該系統(tǒng)包含超過7千萬個微電子器件與850個光電子器件，并實現(xiàn)了單一芯片內(nèi)部CPU與存儲器之間的光互連和數(shù)據(jù)傳輸，在高性能計算、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。第二種是CMOS體硅集成平臺?？紤]到SOI晶片本身的成本以及微電子芯片巨頭(英特爾、三星等)的工藝平臺，體硅晶片在成本以及應(yīng)用場景方面更具競爭力。如圖2所示，利用多晶硅材料，可將波導(dǎo)、微環(huán)調(diào)制器、探測器同時集成在一起，能夠充分發(fā)揮硅基光電子集成的優(yōu)勢，極大降低硅基光電子芯片的制造成本[7]。

  圖2.基于體硅晶圓的硅基光電子集成芯片

  除了集成工藝平臺的探索，穩(wěn)定可靠的片上光源可以拓寬硅基光電子芯片的應(yīng)用領(lǐng)域，當前主要的硅基片上光源實現(xiàn)方案分為3類，包括摻鉺硅光源、鍺硅IV族光源和硅基III-V族光源[8]。盡管摻有鉺元素的硅很早就被觀察到1.53μm波長處的光致發(fā)光現(xiàn)象，但發(fā)光效率低，存在嚴重的溫度淬滅現(xiàn)象，無法達到實用要求。因此，人們轉(zhuǎn)而研究利用摻鉺(富硅)氮化硅較好的發(fā)光性能來實現(xiàn)低開啟電壓的電泵浦光源。北京大學(xué)周治平課題組[9-10]通過實驗驗證了額外摻入鐿元素對摻鉺硅發(fā)光效率的提升，并利用鉺鐿硅酸鹽實現(xiàn)了在1.2mA/cm2電流密度下1.53μm波長的電致發(fā)光[11]。鍺硅激光器主要通過能級改造來實現(xiàn)高效發(fā)光[12]，實現(xiàn)方式上通常采用n型摻雜[13]，應(yīng)力拉伸[14]以及GeSn合金[15]，首個電泵浦的鍺硅激光器發(fā)表于2011年[16]，相比III-V族材料，鍺材料具有隨溫度升高的發(fā)光效率，未飽和條件下電注入與發(fā)光功率之間的超線性關(guān)系以及大增益譜等優(yōu)勢，但依然面臨著高閾值電流和較低的發(fā)光效率的問題。III-V外延生長的硅基量子點激光器主要以InAs/GaAs作為工作物質(zhì)。相比傳統(tǒng)的量子阱激光器，量子點激光器具有閾值電流低、溫度特性好的特點，適用于高溫的工作環(huán)境，滿足低功耗、高密度、大規(guī)模數(shù)據(jù)通信短距互聯(lián)的需求。這種激光器的工作性能(閾值電流、斜率效率)取決于生長材料的好壞。由于IV族硅和III-V族材料之間具有較大的晶格常數(shù)差異、不同的熱膨脹系數(shù)以及不同的極性，這就導(dǎo)致在硅上直接生長III-V族材料會引入大量的位錯，這些位錯宏觀上表現(xiàn)為III-V材料中出現(xiàn)斷層或開裂，從微觀上表現(xiàn)為在激光器有源區(qū)引入大量的非輻射中心，導(dǎo)致發(fā)光效率低下，閾值電流的提高。因此，硅基上外延生長量子點激光器的發(fā)展中心主要圍繞提高III-V材料質(zhì)量展開，量子點既作為激光器的高效發(fā)光中心，又被用于緩沖層中減少位錯密度。倫敦大學(xué)學(xué)院的Liu課題組[17]最先實現(xiàn)硅襯底上直接生長的O波段量子點激光器，隨后首次報道了在室溫連續(xù)工作模式下超過3100h的超低閾值量子點激光器[18]。加州大學(xué)圣芭芭拉分校的Bowers課題組[19]報道了連續(xù)光工作模式下閾值電流只有36mA的硅基量子點激光器。東京大學(xué)的Arakawa課題組[20]最近也在硅(001)晶面外延生長高質(zhì)量的InAs/GaAs量子點激光器。盡管硅基外延生長的量子點激光器是目前最有希望實現(xiàn)單片集成的硅基片上光源的重要方式，但依然面臨著緩沖層太厚與波導(dǎo)耦合困難的問題。

  此外，利用金屬表面等離激元對光場限制能力強的特點，可以極大地縮小光電器件的尺寸，有利于硅基光電子的大規(guī)模集成。表面等離子體納米尺度的光場限制能力以及天然的偏振敏感性，非常適用于硅基混合表面等離子體片上偏振復(fù)用器件及系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[21-22]，從而解決傳統(tǒng)的硅基偏振復(fù)用系統(tǒng)尺寸過大和偏振分離度不高的問題。如圖3(a)所示為硅基混合表面等離子體偏振復(fù)用系統(tǒng)的示意圖，其中的關(guān)鍵器件包括TE/TM起偏器(polarizer)、偏振旋轉(zhuǎn)器(rotator)和偏振分束器(polarization beam splitter)等。入射光首先通過偏振分束器，將TE和TM模式各自分開為兩路。對于TM模式，經(jīng)過90°的偏振旋轉(zhuǎn)器后，被旋轉(zhuǎn)成了TE模式，以及為了進一步提高消光度，可以再經(jīng)過TE起偏器，以濾除殘留的TM偏振。兩路光在經(jīng)過了對稱的集成光電器件后，將原本的TE模式經(jīng)過90°的偏振旋轉(zhuǎn)器，旋轉(zhuǎn)成為TM模式，以及同樣為了進一步提高消光度，可以經(jīng)過再經(jīng)過TM起偏器，以濾除殘留的TE偏振。最終，兩路光經(jīng)過偏振合束器合成一路輸出，從而同時完成了對TE和TM兩種偏振信號的處理和利用，達到了偏振復(fù)用的目的。北京大學(xué)周治平課題組[23-31]在硅基混合表面等離子體偏振復(fù)用系統(tǒng)中開展了豐富的研究工作。在偏振旋轉(zhuǎn)器的研究方面，理論設(shè)計并實驗加工了一種片上混合表面等離子體的偏振旋轉(zhuǎn)器[25]，如圖3(b)所示。實驗測得，該偏振旋轉(zhuǎn)器在僅僅2.5μm的長度下實現(xiàn)了99.2%的偏振旋轉(zhuǎn)效率。在起偏器方面，實現(xiàn)了一種TE通過型的硅基混合表面等離子體的起偏器[31]，如圖3(c)所示，在1.52～1.58μm的波長范圍內(nèi)，實驗測得消光比高達24～33.7dB，而器件長度僅僅為6μm。相比于傳統(tǒng)介質(zhì)材料的偏振旋轉(zhuǎn)器和起偏器，利用混合表面等離子體器件的尺寸要緊湊很多[23]。

  圖3. 硅基混合表面等離子體片上偏振復(fù)用器件及系統(tǒng)

  硅材料熱光系數(shù)大的特點導(dǎo)致硅基光波導(dǎo)系統(tǒng)對周圍溫度環(huán)境的變化極為敏感，這對諸如硅基片上波分復(fù)用系統(tǒng)的工作波長將造成極大的影響，通常需要額外的溫控管理來穩(wěn)定工作狀態(tài)。如圖(4d)所示，利用非對稱MMI實現(xiàn)的任意分束比1×2光功率分束器能夠作為片上監(jiān)測單元為控制系統(tǒng)提供反饋。為降低溫控額外引入的能耗，可以通過設(shè)計溫度不敏感的片上濾波器來實現(xiàn)。北京大學(xué)周治平課題組[32-34]針對常見的3種溫度不敏感濾波器都進行了研究，包括微環(huán)型、馬赫-曾德干涉型和陣列波導(dǎo)光柵型。微環(huán)型濾波器可以利用雙環(huán)耦合諧振譜分裂的現(xiàn)象來抵消熱光效應(yīng)引起的波長漂移，避免使用與CMOS工藝不兼容的負熱光系數(shù)材料[35]。馬赫-曾德型濾波器采用兩種具有不同有效折射率的波導(dǎo)作為馬赫-曾德干涉器的兩臂可以實現(xiàn)溫度不敏感特性[36-37]。利用有效熱光系數(shù)差更大的條形波導(dǎo)與溝道淺刻蝕型波導(dǎo)，結(jié)合多級級聯(lián)的馬赫-曾德干涉結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)器件尺寸更緊湊的溫度不敏感平頂濾波器，如圖4(a)[38-39]所示，為了克服條形波導(dǎo)與溝道淺刻蝕波導(dǎo)模式失配問題，同時提出了一種條形波導(dǎo)與溝道淺刻蝕波導(dǎo)的模式轉(zhuǎn)換器，如圖4(c)[40-42]所示。陣列波導(dǎo)光柵型濾波器以往的設(shè)計存在所用材料與CMOS工藝不兼容，特征尺寸小等問題，借鑒馬赫-曾德型濾波器兩臂采用不同類型波導(dǎo)的做法，可以實現(xiàn)溫度不敏感的陣列波導(dǎo)光柵性濾波器，如圖4(b)[43]所示，并設(shè)計了任意比例作為片上監(jiān)測單元為控制系統(tǒng)提供反饋[44-45]。

圖4. 不同的溫度控制方法

  片上能耗的重要來源還包括調(diào)制器的調(diào)制能耗。由于硅材料不具備線性電光效應(yīng)，因此硅中進行高速調(diào)制需要用到自由載流子色散效應(yīng)。依據(jù)該效應(yīng)，Intel公司和康奈爾大學(xué)2004年和2005年分別在《自然》雜志上報道了微環(huán)諧振腔調(diào)制器和馬赫增德調(diào)制器，將硅基調(diào)制速率提升至1Gbps以上，此后50Gbps以上調(diào)制速度的硅基電光調(diào)制器相繼出現(xiàn)。然而，自由載流子色散效應(yīng)在提升調(diào)制器速率的同時，由于調(diào)制效率受限，因此導(dǎo)致了巨大的調(diào)制能耗。采用微環(huán)諧振腔的調(diào)制器雖然提升了調(diào)制效率，從而降低驅(qū)動電壓和調(diào)制能耗，但是諧振腔對溫度過于敏感，20℃的溫度改變量可以產(chǎn)生1nm左右的諧振波長改變量，而為了減少溫度的影響，每比特需要皮焦量級的熱調(diào)諧能量來補償溫度影響，整體運轉(zhuǎn)能耗巨大。馬赫增德調(diào)制器雖然對溫度不敏感，但調(diào)制效率較低，每比特調(diào)制能耗一般高達幾百飛焦[46]。在這個能耗量級下，光互連架構(gòu)的優(yōu)勢將很難與傳統(tǒng)電互連架構(gòu)競爭。為了降低調(diào)制器能耗，北京大學(xué)周治平課題組[47]于2017年提出了一種集總式馬赫增德調(diào)制器結(jié)構(gòu)，并建立了完整的電光理論分析模型，通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和載流子摻雜結(jié)構(gòu)，可以將馬赫增德調(diào)制器的能耗降低至80.8fJ/bit(50Ω標準微波線纜驅(qū)動)和21.5fJ/bi(t10Ω集成驅(qū)動電路)，同時調(diào)制速度可達50Gbps，這使得基于硅基光電子技術(shù)的光互連架構(gòu)有望媲美、超越傳統(tǒng)電互連架構(gòu)，如圖5所示。

  圖5. 低能耗調(diào)制器結(jié)構(gòu)和性能

  巨大的應(yīng)用價值

  硅基光電子技術(shù)以其集成度高、尺寸小、與微電子工藝相兼容等優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)中心、通信、自動駕駛、傳感、高性能計算和人工智能等各個領(lǐng)域彰顯出巨大應(yīng)用價值，如圖6所示。

  圖6. 硅基光電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

  隨著云計算、大數(shù)據(jù)等新業(yè)務(wù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的流量出現(xiàn)了爆炸式增長，網(wǎng)絡(luò)擁堵和延遲等問題的出現(xiàn)使得“光進銅退”成為必然趨勢。當前基于100G光模塊的光互連架構(gòu)已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心全面鋪開，IEEE P802.3bs 400GbE標準也已發(fā)布，基于200G/400G光模塊的光互連架構(gòu)已經(jīng)開始布局。為了同時滿足數(shù)據(jù)中心對光模塊成本和性能的要求，當前光模塊發(fā)展的趨勢是不斷增大集成度，在材料面積和材料功能之間取得更優(yōu)利用率。硅基光電子技術(shù)與微電子工藝有很好的兼容性，因此可以大大提高集成度和成本效益，而且子系統(tǒng)的高集成度可為整體光互連網(wǎng)絡(luò)提供更高的穩(wěn)定性和更低的功耗，這使得基于硅基光電子技術(shù)的光模塊成為通信、數(shù)據(jù)中心的最佳解決方案，如圖7所示。從2012年Cisco第一次在商用CPAK100G光模塊中使用硅基光電子引擎，到2016年Luxtera、Intel公司QSFP28硅光模塊投放市場，再到2019年Intel、Macom等公布400GDR4、FR4等硅光模塊，硅基光電子技術(shù)在100G數(shù)據(jù)中心光互連架構(gòu)中的應(yīng)用價值已得到充分證明，并逐步布局于未來400G光通信市場中。

  圖7. 基于硅基光電子技術(shù)的光收發(fā)模塊

  在通信領(lǐng)域，硅基光電子技術(shù)以其高集成度和精確、高效的相位調(diào)制特性，非常適合實現(xiàn)相干調(diào)制解調(diào)功能，可應(yīng)用于通信城域骨干網(wǎng)遠距離通信，Acacia、Elenion、Inphi、Macom等均推出了硅光相干芯片，Acacia和Macom等已經(jīng)向通信客戶實現(xiàn)硅光相干模塊的量產(chǎn)出貨。而隨著5G規(guī)模商用的臨近，光模塊將在通信領(lǐng)域迎來嶄新的應(yīng)用場景。根據(jù)CIR預(yù)測，到2022年，全程5G回程開支將超20億美元，光網(wǎng)絡(luò)行業(yè)將是5G回程建設(shè)的主要受益者。由于5G宏基站數(shù)量的增多，因此光模塊需求總量將是4G時代的3～6倍，預(yù)計僅5G前傳就有約5000萬只25G/50G光模塊的需求，在需求量的驅(qū)動下，基于微電子工藝的硅基光電子技術(shù)將充分發(fā)揮成本優(yōu)勢。同時，硅基光電子技術(shù)也可以有效滿足5G對傳輸速率，超低延時、高穩(wěn)定性的要求。2018年，Intel宣布將其100G硅光收發(fā)模塊[48]產(chǎn)品擴展到數(shù)據(jù)中心之外，并公布了應(yīng)用于5G和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的新型硅基光電子產(chǎn)品的細節(jié)。5G在成本和技術(shù)上的訴求，將為硅基光電子技術(shù)的應(yīng)用帶來新的轉(zhuǎn)折點。

  硅基光電子技術(shù)也獲得了高性能計算和人工智能領(lǐng)域的極大關(guān)注。在高性能計算領(lǐng)域，能耗和信息讀取速度成為制約高性能計算發(fā)展的兩大因素。按照現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展，未來每秒進行百億億次數(shù)學(xué)運算的高性能計算系統(tǒng)全年用電量將達到40億千瓦時以上，同時在處理器和內(nèi)存之間、處理器之間的信息讀取速度嚴重滯后于處理器運算速度，導(dǎo)致處理器計算性能只能發(fā)揮至20%以下。受電子自身物理極限的制約，傳統(tǒng)減小芯片特征尺寸不能有效解決以上問題。與電子比較，光子具有傳輸速度高、可并行、帶寬大以及低功耗等特點，因此，利用硅基光電子芯片進行信息交互與計算是突破高性能計算發(fā)展展瓶頸的一個關(guān)鍵。2015年，加利福尼亞大學(xué)和麻省理工學(xué)院報道了首個光電一體處理器，邁出了硅基光電子技術(shù)在高性能計算領(lǐng)域應(yīng)用的第一步[49]。如圖8(a)[48]所示，基于硅基光電子技術(shù)，在一塊芯片上同時制備了7千萬個微電子器件與850個電子器件，通過光子在計算和存儲單元之間進行了高速通信。在此基礎(chǔ)上，2018年又成功實現(xiàn)了10Gbps通信速度并融合了波分復(fù)用技術(shù)[7]。此外，硅基光電子技術(shù)也為人工智能領(lǐng)域提供了新的發(fā)展思路。利用光學(xué)結(jié)構(gòu)制備面向深度學(xué)習(xí)應(yīng)用的硅基光電子人工智能芯片于2017年被正式提出，有望實現(xiàn)高速、低能耗的推理和訓(xùn)練過程，如圖8(b)[50]所示。

  圖8. 基于硅基光電子技術(shù)的處理器和芯片

  如上所述，硅基光電子技術(shù)在數(shù)據(jù)中心、通信、高性能計算和人工智能領(lǐng)域已經(jīng)彰顯出巨大應(yīng)用價值，其市場規(guī)模如圖9[51]所示，到2020年，總市場規(guī)模將達到3億美元以上。數(shù)據(jù)中心和通信將是硅基光電子技術(shù)應(yīng)用的核心應(yīng)用場景，但隨著高性能計算領(lǐng)域的瓶頸凸顯，硅基光電子在高性能計算領(lǐng)域的市場份額也將迅速增長。

  圖9. 硅基光電子技術(shù)市場規(guī)模預(yù)測

  值得一提的是，硅基光電子技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用潛力也得到了挖掘。如近年興起的自動駕駛領(lǐng)域和傳感領(lǐng)域。激光雷達已經(jīng)成為自動駕駛不可或缺的關(guān)鍵傳感器，得益于SOI材料高折射率對比度和與微電子工藝兼容的先天優(yōu)勢，基于硅基光電子技術(shù)的固態(tài)激光雷達在穩(wěn)定性、成本和大規(guī)模集成方面較傳統(tǒng)多線機械旋轉(zhuǎn)方案有巨大優(yōu)勢，2015年，加州大學(xué)圣芭芭拉分校(UCSB)成功研制出32通道紅外光學(xué)相控陣芯片[52]，如圖10所示，將激光器、光放大器等有源器件和其他無源光學(xué)鏈路集成在一起，實現(xiàn)了首款真正意義上的硅基固態(tài)激光雷達芯片。2017年，麻省理工學(xué)院又報道了第一個可調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)固態(tài)硅基激光雷達樣品[53]，這些最新結(jié)果均表明硅基固態(tài)激光雷達已經(jīng)朝著實用化又邁出了關(guān)鍵一步。

  圖10. 基于硅基光電子技術(shù)的固態(tài)激光雷達

  在傳感領(lǐng)域，當前硅基光電子技術(shù)主要應(yīng)用于疾病檢測，并得到了產(chǎn)業(yè)驗證。疾病的復(fù)雜性和多相性，以及對生活方式和基因的依賴性，使得無標記體外診斷成為疾病診斷的關(guān)鍵。利用硅基光學(xué)微環(huán)矩陣在生物過程中發(fā)生的諧振變化及放大作用，可以同時對多種疾病的生物標記進行時域上的體外定量檢測，具有高靈敏度、低成本等特點。美國Genalyte公司已經(jīng)將這項技術(shù)完整地實現(xiàn)了商業(yè)化[54-55]，可以通過幾滴血液來完成多達62項的測試，充分證明了硅基光電子技術(shù)在傳感領(lǐng)域的巨大商業(yè)價值。

  圖11. 基于硅基光電子技術(shù)的生物傳感芯片

  總結(jié)

  本文對微電子與光電子深度融合的結(jié)晶——硅基光電子學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢進行了全面剖析。一方面集成電路芯片的發(fā)展趨于飽和;另一方面，由于大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，信息高速公路體系中各層分支線路上的數(shù)據(jù)流量也大大增加。光進銅退已經(jīng)延伸到了芯片內(nèi)部。硅基光電子芯片結(jié)合光電子技術(shù)的極高帶寬、超快速率和高抗干擾特性以及微電子技術(shù)在大規(guī)模集成、低能耗、低成本等方面的優(yōu)勢，應(yīng)用硅工藝平臺，在同一硅襯底上同時制作若干微納量級，以光子和電子為載體的信息功能器件，形成一個完整的具有綜合功能的新型大規(guī)模光電集成芯片。其作為“后摩爾時代的核心技術(shù)”，已經(jīng)得到了發(fā)達國家和地區(qū)的高度重視。硅基光電子芯片可以在能耗、成本、尺寸方面帶來極大的優(yōu)勢，不僅可用于中興、華為以及其他世界頂級通信公司的通信設(shè)備中，也可用于思科、微軟、臉書、谷歌、亞馬遜、阿里巴巴等高科技公司的產(chǎn)品及其巨型數(shù)據(jù)中心，更有可能很快進軍傳感，消費領(lǐng)域。如果微電子與光電子業(yè)界能夠進一步深度合作，以硅材料為平臺的大規(guī)模光電集成芯片這個高效率低成本的片上解決方案就能夠像微電子芯片一樣早日進入現(xiàn)代人的日常生活。

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  來源：《微納電子與智能制造》刊號：CN10-1594/TN