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硅光子技術(shù)是微電子、光子集成的理想平臺
來源 開源證券 思瀚整理    2024-06-03

硅光子技術(shù)是基于硅和硅基襯底材料，利用現(xiàn)有 CMOS 工藝進行光器件開發(fā)和集成的新一代技術(shù)。

硅光子技術(shù)是利用硅和硅基襯底材料（如 SiGe/Si、SOI 等）作為光學(xué)介質(zhì)，通過集成電路工藝來制造相應(yīng)的光子器件和光電器件（包括硅基發(fā)光器件、調(diào)制器、探測器、光波導(dǎo)器件等），這些器件用于對光子的激發(fā)、處理和操縱，實現(xiàn)其在光通信、光互連、光計算等多個領(lǐng)域的應(yīng)用。

硅光子技術(shù)是實現(xiàn)光子和微電子集成的理想平臺。在當(dāng)前“電算光傳”的信息社會下，微電子/光電子其技術(shù)瓶頸不斷凸顯，硅基光電子具有和成熟的 CMOS 微電子工藝兼容的優(yōu)勢，有望成為實現(xiàn)光電子和微電子集成的最佳方案。

從需求發(fā)展來看，光電子和微電子集成源動力來自于微電子/光電子各自的發(fā)展需求，微電子方面，深亞微米下電互連面臨嚴(yán)重的延時和功耗瓶頸，需要引入光電子利用光互連解決電互連的問題；光電子方面，面對信息流量迅速增加下的提速降本需求，需要借助成熟的

從技術(shù)特點來看，硅光子技術(shù)結(jié)合了集成電路技術(shù)的超大規(guī)模、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢，以及基于硅材料的本身特性，硅光子技術(shù)主要具有高集成度、高速率、低成本等優(yōu)點：

（1）高速率：硅的禁帶寬度為 1.12eV，對應(yīng)的光波長為 1.1μm，硅對于 1.1-1.6μm 的通信波段（典型波長 1.31μm/1.55μm）是近乎無損透明，具有優(yōu)異的波導(dǎo)傳輸特性，可以很好地兼容目前的光通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時利用光通路取代芯片間的數(shù)據(jù)電路，在實現(xiàn)大容量光互連的同時也保持著低能耗和低散熱，高效地解決網(wǎng)絡(luò)擁堵和延遲等問題；

（2）高集成度：硅基材料具有高折射率和高光學(xué)限制能力，可將光波導(dǎo)彎曲半徑縮減至 5μm 以下，基于成熟的 CMOS 工藝制作光器件，可實現(xiàn)硅光芯片更高的集成度及更多的嵌入式功能，其集成密度相比于傳統(tǒng)的硅基二氧化硅（PLC）和磷化銦（InP）光芯片有望提高百倍以上，同時光芯片尺寸縮減也隨之帶來有低成本、低功耗、小型化等獨特優(yōu)勢；

（3）低成本：硅材料作為世界上儲量第二的材料，硅基材料成本較低且可以大尺寸制造，硅光芯片的生產(chǎn)制造也基于 CMOS 和 BiCMOS 等集成電路工藝線，可以實現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，在芯片成本有較大的下降潛力。

從發(fā)展歷程來看，硅光子技術(shù)從最初在 1969 年由著名的貝爾實驗室提出以來，經(jīng)歷了 3 個主要的發(fā)展階段：

1969-2000 年的原理探索階段，受限于工藝和技術(shù)的限制，硅光子技術(shù)的發(fā)展只集中在硅基有源器件和無源器件的實驗室研究階段；

2000-2008 年的技術(shù)突破階段，以 Intel 為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機構(gòu)就開始重點發(fā)展硅芯片光學(xué)信號傳輸技術(shù)，期間 2004 年 Interl 研制出第一款 1Gb/s 速率的硅光調(diào)制器，人們看到硅芯片中“光進銅退”的可能性，其他各類硅光器件如探測器、激光器、無源器件等也陸續(xù)獲得突破；

2008-2014 年的集成應(yīng)用階段，以 Luxtera、Intel、和 IBM 為代表的公司不斷推出商用級硅光子集成產(chǎn)品，如 Intel、Luxtera 的硅光光模塊，Acacia 的相干光模塊等；

目前，硅光子技術(shù)已逐漸進入應(yīng)用拓展階段：硅光子集成平臺被廣泛應(yīng)用于多領(lǐng)域，比如在通信領(lǐng)域，已基本建立了面向數(shù)據(jù)中心、光纖傳輸、5G 承載網(wǎng)、光接入等市場的一系列硅光產(chǎn)品解決方案；

在新型微處理器技術(shù)上，DARPA、Intel、Ayar Labs 等國外研發(fā)機構(gòu)正在致力于實現(xiàn)硅光芯片與高性能微電子芯片的融合，并已驗證了集成硅光 I/O 芯片的新一代 FPGA、CPU 和 ASIC 芯片；在光計算領(lǐng)域，Lightmatter、Lightelligence 等公司積極推進應(yīng)用于 AI 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算的硅光芯片；研究人員已研制出集成度最復(fù)雜的硅光量子芯片；在智能駕駛領(lǐng)域，硅光固態(tài)激光雷達或成下一代激光雷達的重要革新。

硅光子技術(shù)由分組硅光向著可編程芯片方向發(fā)展。從技術(shù)演進來看，硅光子技術(shù)發(fā)展可分為四個階段，由于受限于硅材料本身的光電性能，仍存在無法高密度集成光源、集成低損耗高速光電調(diào)制器等問題，目前硅光子技術(shù)主要集中在第二階段—硅光子集成階段：

第一階段，分組硅光：硅基器件逐步取代分立元器件，即將硅做出光通信底層器件，并實現(xiàn)工藝標(biāo)準(zhǔn)化；

第二階段，硅光子集成：集成技術(shù)從混合集成向單片集成演進，實現(xiàn)部分集成，即通過不同器件的組合集成不同的芯片；

第三階段，全光電融合：光電全集成化，實現(xiàn)合封的復(fù)雜功能；第四階段，可編程芯片：器件分解為多個硅單元排列組合，局針化表征類；該種通過編程來改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)的芯片，可自定義全功能。

從工藝角度來看，硅光子集成分為單片集成和混合集成，目前混合集成使用較廣，但是單片集成性能更優(yōu)，是未來發(fā)展趨勢。

單片集成：將光子學(xué)組件直接集成到同一塊硅芯片上，包括光源、光調(diào)制器、波導(dǎo)、耦合器等光學(xué)元件，從而形成一個緊湊的光學(xué)電路。單片集成方式的優(yōu)勢在于可以減小尺寸、提高集成度、降低制造成本。

混合集成：將硅芯片與其他材料的光學(xué)組件結(jié)合在一起，即將電子器件（硅鍺、CMOS、射頻等）、光子器件（激光/探測器、光開關(guān)、調(diào)制解調(diào)器等）、光波導(dǎo)回路集成在一個硅芯片上。其中，硅芯片主要負責(zé)電子部分的處理，而其他材料的光學(xué)元件則負責(zé)光的生成和調(diào)制。

混合集成的優(yōu)勢在于可以利用硅芯片的電子器件和其他材料的優(yōu)異光學(xué)特性，實現(xiàn)更高效的光通信和傳感應(yīng)用。目前，硅光子技術(shù)主要采用基于 SOI（絕緣襯底上硅）襯底的制造平臺，已能實現(xiàn)探測器與調(diào)制器的單片集成。