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(shì)來(lái)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(lái)，社會(huì)各界對(duì)這門(mén)學(xué)科的興趣呈指數(shù)性增長(zhǎng)。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(píng)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(lái)，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(lái)，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(duì)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(wèn)題成為最先凸顯出的矛盾。以多核處理器和三維存儲(chǔ)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(jí)，三維存儲(chǔ)技術(shù)迫切需要越來(lái)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(guò)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(hào)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(wú)法使用，信息擁堵問(wèn)題就此產(chǎn)生。

  為了解決信息擁堵問(wèn)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(zhǎng)、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(jí)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(mén)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(wèn)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(wèn)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(lái)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(chǎng)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?chǎng)需求驅(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(cè)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(duì)稱(chēng)性，其線性電光效應(yīng)為零，不利于線性、低能耗的片上信號(hào)調(diào)制和信息加載。

  (3)硅的禁帶寬度為1.205eV，對(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)截止波長(zhǎng)約為1100nm，無(wú)法高效地探測(cè)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(wú)源材料大1個(gè)數(shù)量級(jí)(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(duì)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(jí)，很難達(dá)到納米級(jí)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(duì)接兩大問(wèn)題，使得硅基光電子芯片的集成度目前還無(wú)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(guò)熱不敏感的器件設(shè)計(jì)，降低甚至消除溫控能耗;通過(guò)混合表面等離子體器件，來(lái)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(lái)，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(zhǎng)足的發(fā)展，并以光電子與微電子的深度交融為標(biāo)志開(kāi)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(kāi)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(guó)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(cè)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(hào)傳輸100km后誤碼率可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于10-5量級(jí)。

  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(tái)。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(guò)7千萬(wàn)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(chǔ)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(tái)。考慮到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(tái)，體硅晶片在成本以及應(yīng)用場(chǎng)景方面更具競(jìng)爭(zhēng)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(cè)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(shì)，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(tái)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(lèi)，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(zhǎng)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(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)低開(kāi)啟電壓的電泵浦光源。北京大學(xué)周治平課題組[9-10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了額外摻入鐿元素對(duì)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(zhǎng)的電致發(fā)光[11]。鍺硅激光器主要通過(guò)能級(jí)改造來(lái)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(shì)，但依然面臨著高閾值電流和較低的發(fā)光效率的問(wèn)題。III-V外延生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)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(zhǎng)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(kāi)，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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)高質(zhì)量的InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器。盡管硅基外延生長(zhǎng)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(wèn)題。

  此外，利用金屬表面等離激元對(duì)光場(chǎng)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(chǎng)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(guò)大和偏振分離度不高的問(wèn)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(guò)偏振分束器，將TE和TM模式各自分開(kāi)為兩路。對(duì)于TM模式，經(jīng)過(guò)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(guò)TE起偏器，以濾除殘留的TM偏振。兩路光在經(jīng)過(guò)了對(duì)稱(chēng)的集成光電器件后，將原本的TE模式經(jīng)過(guò)90°的偏振旋轉(zhuǎn)器，旋轉(zhuǎn)成為T(mén)M模式，以及同樣為了進(jìn)一步提高消光度，可以經(jīng)過(guò)再經(jīng)過(guò)TM起偏器，以濾除殘留的TE偏振。最終，兩路光經(jīng)過(guò)偏振合束器合成一路輸出，從而同時(shí)完成了對(duì)TE和TM兩種偏振信號(hào)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(kāi)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(cè)得，該偏振旋轉(zhuǎn)器在僅僅2.5μm的長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得消光比高達(dá)24～33.7dB，而器件長(zhǎng)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(duì)周?chē)鷾囟拳h(huán)境的變化極為敏感，這對(duì)諸如硅基片上波分復(fù)用系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)將造成極大的影響，通常需要額外的溫控管理來(lái)穩(wěn)定工作狀態(tài)。如圖(4d)所示，利用非對(duì)稱(chēng)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(cè)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(guò)設(shè)計(jì)溫度不敏感的片上濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。北京大學(xué)周治平課題組[32-34]針對(duì)常見(jiàn)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(lái)抵消熱光效應(yīng)引起的波長(zhǎng)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(jí)級(jí)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(wèn)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(wèn)題，借鑒馬赫-曾德型濾波器兩臂采用不同類(lèi)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(cè)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(lái)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(duì)溫度過(guò)于敏感，20℃的溫度改變量可以產(chǎn)生1nm左右的諧振波長(zhǎng)改變量，而為了減少溫度的影響，每比特需要皮焦量級(jí)的熱調(diào)諧能量來(lái)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(duì)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(jí)下，光互連架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)將很難與傳統(tǒng)電互連架構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)。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(guò)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(shì)，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(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)擁堵和延遲等問(wèn)題的出現(xiàn)使得“光進(jìn)銅退”成為必然趨勢(shì)。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(kāi)，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(kāi)始布局。為了同時(shí)滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)光模塊成本和性能的要求，當(dāng)前光模塊發(fā)展的趨勢(shì)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(chǎng)，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(lái)400G光通信市場(chǎng)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(lái)嶄新的應(yīng)用場(chǎng)景。根據(jù)CIR預(yù)測(cè)，到2022年，全程5G回程開(kāi)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(wàn)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(shì)。同時(shí)，硅基光電子技術(shù)也可以有效滿足5G對(duì)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(lái)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(lái)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(wèn)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(wàn)個(gè)微電子器件與850個(gè)電子器件，通過(guò)光子在計(jì)算和存儲(chǔ)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(guò)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(chǎng)規(guī)模如圖9[51]所示，到2020年，總市場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)份額也將迅速增長(zhǎng)。

  圖9. 硅基光電子技術(shù)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

  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(duì)比度和與微電子工藝兼容的先天優(yōu)勢(shì)，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(shì)，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(wú)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(cè)，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(duì)生活方式和基因的依賴(lài)性，使得無(wú)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(guò)程中發(fā)生的諧振變化及放大作用，可以同時(shí)對(duì)多種疾病的生物標(biāo)記進(jìn)行時(shí)域上的體外定量檢測(cè)，具有高靈敏度、低成本等特點(diǎn)。美國(guó)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(guò)幾滴血液來(lái)完成多達(dá)62項(xiàng)的測(cè)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(duì)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(shì)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(shì)，應(yīng)用硅工藝平臺(tái)，在同一硅襯底上同時(shí)制作若干微納量級(jí)，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(guó)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(lái)極大的優(yōu)勢(shì)，不僅可用于中興、華為以及其他世界頂級(jí)通信公司的通信設(shè)備中，也可用于思科、微軟、臉書(shū)、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(tái)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。

  參考文獻(xiàn)：

  [1] DAVID A B M. Device requirements for optical interconnects to silicon chips[J]. Proceedings of the IEEE,2009 , 97 (7 ): 1166 –1185.[2] 周治平. 硅基光電子學(xué)[M]. 北京:北京大學(xué)出版社,2012.ZHOU Zhiping. Silicon- based optoelectronics[M]. Beijing: Peking University Press, 2012. [3] JAIME C, CARL B P, JACOB T R, et al. Low loss etchless silicon photonic waveguides[J]. Optics express,2009, 17(6): 4752-4757. [4] BOEUF F, CREMER S, TEMPORITI E, et al. Recentprogress in Silicon Photonics R&D and manufacturingon 300 mm wafer platform optical fiber communicationconference[C]// 2015 Optical Fiber CommunicationsConference and Exhibition (OFC). IEEE, 2015: W3A–1. [5] KNOLL D, LISCHKE S, AWNY A, et al. BiCMOS silicon photonics platform for fabrication of high- bandwidth electronic- photonic integrated circuits[C]// 2016IEEE 16th Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems (SiRF). IEEE, 2016: 46-49. [6] Peking University. Prof.Zhou,SPMer Yin Bing and Jurgen Michel gain Top 10 Citation Papers Award IssuedBy CIOMP[EB/OL]. (2018- 12- 18) [2019- 07- 20]. http://spm.pku.edu.cn. [7] ATABAKI A H, MOAZENI S, PAVANELLO F, et al. Integrating photonics with silicon nanoelectronics for thenext generation of systems on a chip[J]. Nature, 2018,556 (7701): 349-354. [8] ZHOU Z P, YIN B, MICHEL J. On-chip light sources forsilicon photonics[J]. Light: Science & Applications,2015, 4(11): e358. [9] WANG X J, WANG B, WANG L, et al. Extraordinary infrared photoluminescence efficiency of Er0.1Yb1.9SiO5films on SiO2/Si substrates[J]. Applied Physics Letters,2011, 98: 071903. [10] GUO R, WANG B, WANG X, et al. Optical amplification in Er/Yb silicate slot waveguide[J]. Optics Letters,2012, 37(9): 1427-1429. [11] WANG B, GUO R, WANG X, et al. Large electroluminescence excitation cross section and strong potentialgain of erbium in ErYb silicate[J]. Journal of AppliedPhysics, 2013, 113: 103108. [12] LIU J, SUN X, PAN D, et al. Tensile-strained, n-type Geas a gain medium for monolithic laser integration on Si[J]. Optics Express, 2007, 15: 11272- 11277.[13] SPITZER W G, TRUMBORE F A, LOGAN R A. Properties of heavily doped n-Type Germanium[J]. Journal ofApplied Physics, 1961, 32: 1822-1830. [14] ISHIKAWA Y, WADA K, CANNON D D, et al. Straininduced band gap shrinkage in Ge grown on Si substrate[J]. Applied Physics Letters, 2003, 82: 2044-2046. [15] HE G, ATWATER H A. Interband transitions in SnxGe1-x Alloys[J]. Physical Review Letters, 1997, 79: 1937-1940. [16] CAMACHO-AGUILERA R E, CAI Y, PATEL N, et al.An electrically pumped germanium laser[J]. Optics Express, 2012, 20: 11316-11320.[17] WANG T. 1.3-μm InAs/GaAs quantum-dot lasers monolithically grown on Si substrates[J]. Optics express,2011, 19 (12): 11381-11386. [18] CHEN S, LI W, WU J, et al. Electrically pumped continuous-wave III –V quantum dot lasers on silicon[J]. Nature Photonics, 2016,10: 307-311. [19] LIU A Y, PETERS J, HUANG X, et al. Electricallypumped continuous wave quantum dot lasers epitaxiallygrown on patterned, on-axis (001) Si[J]. Optics Express,2017, 25 (4): 3927-3934. [20] WAN Y T. 1.3 μm submilliamp threshold quantum dotmicro-lasers on Si[J]. Optica, 2017, 4(8): 940-944. [21] DIONNE J A. Silicon-based plasmonics for on-chip photonics[J]. IEEE Journal of Selected Topics in QuantumElectronics, 2010, 16 (1): 295-306. [22] EBBESEN, THOMAS W, GENET C, et al. Surface-plasmon circuitry[J]. Physics Today, 2008, 61(5): 44-50. [23] ZHOU Z P, BAI B, LIU L. Silicon on- chip PDM andWDM technologies via plasmonics and subwavelengthgrating[J]. IEEE Journal of Selected Topics in QuantumElectronics, 2018, 25(3): 1-13. [24] GAO L F. Ultracompact and silicon-on-insulator-compatible polarization splitter based on asymmetric plasmonic–dielectric coupling[J]. Applied Physics B: Lasers andOptics, 2013, 113(2): 199-203. [25] GAO L F. On- chip plasmonic waveguide optical waveplate[J]. Scientific Reports, 20155: 15794. [26] GAO L F. Ultra-compact and low-loss polarization rotator based on asymmetric hybrid plasmonic waveguide[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2013, 25(21):2081-2084. [27] BAI B W, LI X, ZHOU Z. Fabrication tolerant TE-passpolarizer based on hybrid plasmonic Bragg grating[C]//IEEE International Conference on Group IV Photonics,IEEE, 2016. [28] BAI B W. Low loss, compact TM- pass polarizer basedon hybrid plasmonic grating[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2017, 29(7): 607-610. [29] BAI B W, DENG Q, ZHOU Z. Plasmonic-assisted polarization beam splitter based on bent directional coupling[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2017 29(7):599-602. [30] BAI B W, LU L, ZHOU Z P. Ultracompact, high extinction ratio polarization beam splitter- rotator based on hybrid plasmonic- dielectric directional coupling[J]. OpticsLetters, 2017, 42(22): 4752. [31] BAI B W, Yang F h, Zhou Z p. Demonstration of an onchip TE- pass polarizer using a silicon hybrid plasmonicgrating[J]. Photonics Research, 2019, 7: 289-293. [32] DENG Q, LI X, ZHOU Z. Athermal microring resonatorbased on the resonance splitting of dual- ring structure[C]// 2014 Conference on Lasers and Electro- Optics(CLEO) - Laser Science to Photonic Applications. IEEE,2014. [33] DENG Q, LI X, ZHOU Z, et al. Athermal scheme basedon resonance splitting for silicon- on-insulator microringresonators[J]. Photonics Research, 2014, 2(2): 71-74. [34] ZHOU Z, YIN B, DENG Q, et al. Lowering the energyconsumption in silicon photonic devices and systems[J].Photonics Research, 2015, 3(5):B28-B46. [35] LEE J, KIM D, KIM G, et al. Controlling temperaturedependence of silicon waveguide using slot structure[J].Optics express, 2008, 16(3): 1645-1652. [36] XING P, VIEGAS J. Broadband CMOS-compatible SOItemperature insensitive Mach- Zehnder interferometer[J].Optics Express, 2015, 23(19): 24098. [37] DWIVEDI S, D'HEER H, BOGAERTS W. A compactall- silicon temperature insensitive filter for WDM andbio- sensing applications[J]. IEEE Photonics TechnologyLetters, 2013, 25(22): 2167-2170. [38] DENG Q, ZHANG R, LIU L, et al. Athermal andCMOS-compatible flat-topped silicon Mach-Zehnder filters[C]// 2016 IEEE 13th International Conference onGroup IV Photonics (GFP). IEEE, 2016. [39] DENG Q, LIU L, ZHANG R, et al. Athermal and flat-topped silicon Mach- Zehnder filters[J]. Optics Express,2016, 24(26): 29577-29582. [40] DENG Q, LIU L, LI X, et al. Strip-slot waveguide modeconverter based on symmetric multimode interference[J]. Optics Letters, 2014, 39(19): 5665-5668. [41] DENG Q, YAN Q, LIU L, et al. Highly compact polarization insensitive strip- slot waveguide mode converter[C]// 2015 Conference on Lasers and Electro- Optics(CLEO). IEEE, 2015. [42] DENG Q, YAN Q, LIU L, et al. Robust polarization-insensitive strip- slot waveguide mode converter based onsymmetric multimode interference[J]. Optics Express,2016, 24(7): 7347-7355. [43] 周 治 平 ，鄧 清 中 . 對(duì) 溫 度 不 敏 感 的 陣 列 波 導(dǎo) 光 柵:CN201510532995.0[P]. 2015-08-26.ZHOU Z P, DENG Q Z. A temperature- insensitive arrayed waveguide grating: CN201510532995.0[P]. 2015-08-26. [44] DENG Q, LI X, CHEN R, et al. Ultra compact and lowloss multimode interference splitter for arbitrary powersplitting[C]// 11th International Conference on Group IVPhotonics (GFP). IEEE, 2014. [45] DENG Q, LIU L, LI X, et al. Arbitrary-ratio 1 × 2 power splitter based on asymmetric multimode interference[J]. Optics Letters, 2014, 39(19): 5590-5593.[46] BAEHR- JONES T, DING R, LIU Y, et al. Ultralowdrive voltage silicon traveling- wave modulator[J]. Op-tics Express, 2012, 20(11): 12014-12020. [47] LI X B, YANG F H, ZHONG F, et al, Single-drive highspeed lumped depletion- type modulators toward 10 fJ/bit energy consumption Photon[J]. 2017, 5(2): 134-142.[48] GUNN C. CMOS photonics for high-speed interconnects[J]. IEEE Micro, 2006, 26(2): 58-66. [49] SUN C , WADE M T , LEE Y , et al. Single-chip microprocessor that communicates directly using light[J]. Nature, 2015, 528(7583): 534-538. [50] SHEN Y , HARRIS N C , SKIRLO S , et al. Deep learning with coherent nanophotonic circuits[J]. Nature Photonics, 2017.[51] Yole Développement. Silicon Photonics 2018[R/OL].2017.http://www.yole.fr/Reports.aspx. [52] HULME J C, DOYLEND J K, HECK M J R, et al. Fully integrated hybrid silicon two dimensional beam scanner[J]. Optics express, 2015, 23(5): 5861-5874. [53] POULTON C V, YAACOBI A, COLE D B, et al. Coherent solid- state LIDAR with silicon photonic opticalphased arrays[J]. Optics letters, 2017, 42(20): 4091-4094. [54]GENALYTE. Modernizing diagnostics[EB/OL]. [2019-07-20]. https://www.genalyte.com. [55] WADE J H , ALSOP A T , VERTIN N R , et al. Rapid,multiplexed phosphoprotein profiling using silicon photonic sensor arrays[J]. ACS Central Science, 2015, 1(7):374-382.

  文獻(xiàn)引用：

  周治平, 楊豐赫, 陳睿軒, 等. 硅基光電子：微電子與光電子的交融點(diǎn)[J]. 微納電子與智能制造, 2019,1(3): 4-15.

  ZHOU Zhiping, YANG Fenghe, CHEN Ruixuan, et al. Silicon photonics—a converging point of microelectronics and optoelectronics[J]. Micro/nano Electronics and Intelligent Manufacturing, 2019, 1 (3): 4-15.

  來(lái)源：《微納電子與智能制造》刊號(hào)：CN10-1594/TN