硅基光電子：微電子與光電子的交融點(diǎn)

  摘 要

  在以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代信息社會(huì)，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(jī)結(jié)合。近年來，社會(huì)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(kuò)展到通信、計(jì)算、傳感、人工智能，乃至消費(fèi)領(lǐng)域。揭示了硅基光電子發(fā)展的最初動(dòng)機(jī)和挑戰(zhàn)，評述當(dāng)前的研發(fā)進(jìn)展，并討論其巨大的應(yīng)用價(jià)值。希望以此推動(dòng)微電子與光電子業(yè)界的進(jìn)一步深度合作，使這個(gè)高效率、低成本的片上解決方案早日進(jìn)入現(xiàn)代人的日常生活。

  最初動(dòng)機(jī)和挑戰(zhàn)

  近50年來，微電子學(xué)一直是現(xiàn)代信息社會(huì)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。微電子芯片的發(fā)展遵從摩爾定律，即平均每18～24個(gè)月，其性能提升一倍，或者價(jià)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(jì)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(dāng)前5nm工藝節(jié)點(diǎn)提升至2～3nm節(jié)點(diǎn)，然而在2～3nm尺度下可容納原子數(shù)量不到15個(gè)，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(yán)重阻礙了微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。但是，現(xiàn)代社會(huì)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(jìn)系統(tǒng)的進(jìn)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(jìn)行電子傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的，這種架構(gòu)的信息傳輸速度和距離受限于RC時(shí)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(dāng)進(jìn)行100km、10Gbps電學(xué)信號的傳輸時(shí)，所需的銅線直徑將達(dá)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(shí)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(kuò)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(diǎn)，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(diǎn)。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(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌鲂枨篁?qū)動(dòng)。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(shí)現(xiàn)受激光子輻射。因此，實(shí)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(gè)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(dá)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(shí)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(jì)，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(shí)現(xiàn)大規(guī)模的片上集成等。未來，硅基光電子技術(shù)將會(huì)在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共同推動(dòng)下，日趨成熟。

  當(dāng)前的研發(fā)現(xiàn)狀

  在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代通信需求的推動(dòng)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(biāo)志開啟了后摩爾時(shí)代。為了進(jìn)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(dāng)前的研究重點(diǎn)開始集中到大規(guī)模集成和低能耗系統(tǒng)兩個(gè)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(bǔ)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(shí)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(gè)光電器件的系統(tǒng)集成，并實(shí)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(shí)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(shí)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(gè)微電子器件與850個(gè)光電子器件，并實(shí)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(jì)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(shí)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(dāng)前主要的硅基片上光源實(shí)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(yán)重的溫度淬滅現(xiàn)象，無法達(dá)到實(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)高效發(fā)光[12]，實(shí)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(gè)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(diǎn)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(diǎn)激光器具有閾值電流低、溫度特性好的特點(diǎn)，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(huì)引入大量的位錯(cuò)，這些位錯(cuò)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(diǎn)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(diǎn)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(cuò)密度。倫敦大學(xué)學(xué)院的Liu課題組[17]最先實(shí)現(xiàn)硅襯底上直接生長的O波段量子點(diǎn)激光器，隨后首次報(bào)道了在室溫連續(xù)工作模式下超過3100h的超低閾值量子點(diǎn)激光器[18]。加州大學(xué)圣芭芭拉分校的Bowers課題組[19]報(bào)道了連續(xù)光工作模式下閾值電流只有36mA的硅基量子點(diǎn)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(diǎn)激光器。盡管硅基外延生長的量子點(diǎn)激光器是目前最有希望實(shí)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(qiáng)的特點(diǎn)，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(shí)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(jìn)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(jìn)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(shí)完成了對TE和TM兩種偏振信號的處理和利用，達(dá)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(jì)并實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測得，該偏振旋轉(zhuǎn)器在僅僅2.5μm的長度下實(shí)現(xiàn)了99.2%的偏振旋轉(zhuǎn)效率。在起偏器方面，實(shí)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(shí)驗(yàn)測得消光比高達(dá)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(diǎn)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(shí)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(jì)溫度不敏感的片上濾波器來實(shí)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(jìn)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(fù)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(jì)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(jìn)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(bào)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(shí)，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(dòng)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(bǔ)償溫度影響，整體運(yùn)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(dá)幾百飛焦[46]。在這個(gè)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(biāo)準(zhǔn)微波線纜驅(qū)動(dòng))和21.5fJ/bi(t10Ω集成驅(qū)動(dòng)電路)，同時(shí)調(diào)制速度可達(dá)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(jià)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(dòng)駕駛、傳感、高性能計(jì)算和人工智能等各個(gè)領(lǐng)域彰顯出巨大應(yīng)用價(jià)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(jì)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(jìn)銅退”成為必然趨勢。當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)滿足數(shù)據(jù)中心對光模塊成本和性能的要求，當(dāng)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(jià)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(shí)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(yuǎn)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(shí)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(shí)代的3～6倍，預(yù)計(jì)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(dòng)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(shí)，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(shí)、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(kuò)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(xì)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(diǎn)。

  硅基光電子技術(shù)也獲得了高性能計(jì)算和人工智能領(lǐng)域的極大關(guān)注。在高性能計(jì)算領(lǐng)域，能耗和信息讀取速度成為制約高性能計(jì)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(jìn)行百億億次數(shù)學(xué)運(yùn)算的高性能計(jì)算系統(tǒng)全年用電量將達(dá)到40億千瓦時(shí)以上，同時(shí)在處理器和內(nèi)存之間、處理器之間的信息讀取速度嚴(yán)重滯后于處理器運(yùn)算速度，導(dǎo)致處理器計(jì)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(diǎn)，因此，利用硅基光電子芯片進(jìn)行信息交互與計(jì)算是突破高性能計(jì)算發(fā)展展瓶頸的一個(gè)關(guān)鍵。2015年，加利福尼亞大學(xué)和麻省理工學(xué)院報(bào)道了首個(gè)光電一體處理器，邁出了硅基光電子技術(shù)在高性能計(jì)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(shí)制備了7千萬個(gè)微電子器件與850個(gè)電子器件，通過光子在計(jì)算和存儲單元之間進(jìn)行了高速通信。在此基礎(chǔ)上，2018年又成功實(shí)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(shí)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(jì)算和人工智能領(lǐng)域已經(jīng)彰顯出巨大應(yīng)用價(jià)值，其市場規(guī)模如圖9[51]所示，到2020年，總市場規(guī)模將達(dá)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(jì)算領(lǐng)域的瓶頸凸顯，硅基光電子在高性能計(jì)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(dòng)駕駛領(lǐng)域和傳感領(lǐng)域。激光雷達(dá)已經(jīng)成為自動(dòng)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(dá)在穩(wěn)定性、成本和大規(guī)模集成方面較傳統(tǒng)多線機(jī)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(shí)現(xiàn)了首款真正意義上的硅基固態(tài)激光雷達(dá)芯片。2017年，麻省理工學(xué)院又報(bào)道了第一個(gè)可調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)固態(tài)硅基激光雷達(dá)樣品[53]，這些最新結(jié)果均表明硅基固態(tài)激光雷達(dá)已經(jīng)朝著實(shí)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(dá)

  在傳感領(lǐng)域，當(dāng)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(yàn)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(biāo)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(shí)對多種疾病的生物標(biāo)記進(jìn)行時(shí)域上的體外定量檢測，具有高靈敏度、低成本等特點(diǎn)。美國Genalyte公司已經(jīng)將這項(xiàng)技術(shù)完整地實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化[54-55]，可以通過幾滴血液來完成多達(dá)62項(xiàng)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(jià)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(jìn)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(jì)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(jìn)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(shí)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(gè)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(shí)代的核心技術(shù)”，已經(jīng)得到了發(fā)達(dá)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(jìn)軍傳感，消費(fèi)領(lǐng)域。如果微電子與光電子業(yè)界能夠進(jìn)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(gè)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(jìn)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