隨著新的制造技術和設計工具的出現，硅光子學的帶寬、延遲和能效優勢與提供數據驅動的應用和服務更加接近了。研究人員正在追求多種部署路徑，具體應用也許決定了如何最好地利用光來連接芯片組件和計算平臺。

無論你是在關注數據中心架構、5G基礎設施、汽車駕駛輔助或醫療診斷，遲早都會有一場關于革命性新技術的討論。而其中很可能會包括“硅光子學”。那么，究竟什么是硅光子學，為什么它在如此多樣的應用中受到普遍關注呢？

對物理學家來說，光子學僅僅意味著對光子的研究。但加上硅這個詞，含義就相當不同了。粗略地說，硅光子學指的是使用接近傳統的IC晶圓加工來制造操縱光的結構，以傳輸或處理信息。但這主要是出于市場宣傳的方便，這種描述卻不太精確。并非所有的結構都是由硅制成的，而且“光子學”不一定是指光的顆粒性質，選擇這個詞更可能是因為它聽起來像電子。

這個定義蘊含著很多的希望。利用光來傳輸信息（就像通信和網絡技術領域那樣）或處理信息（還在研究階段），在速度和能效方面比電子方法有很大的優勢。將其芯片化，就有可能使光子學共享與電子IC相同的優勢，因為IC產業早已形成了巨大規模和產業成熟度。

物理學的基礎

這些美好前景建立在硅的一些重要物理特性之上。首先，盡管硅可以很好地反射可見光，但它對一些紅外光是透明的。這使得微小的光波導成為可能，它可以在芯片上傳輸光束，就像金屬連線傳輸電流一樣。但光波導可以更快、更有效。

第二，在硅中，光子和電場有時可以相互作用。光可以刺激電流，使光信號轉換為電子信號。而電場可以改變硅的光學特性，使電子信號可以控制光學開關和調制器。

僅憑這些元件加上一些無源元件，如光柵，設計者就可以把整個簡單的光子子系統放在一個硅芯片上，這一點很有吸引力。在現實中，這個過程可能需要一些先進數字IC通常不使用的材料，但這些都不是制造的大障礙。

但仍然缺少兩種重要的組件：激光光源和光放大器。它們的缺失是因為物理學的原因。晶體硅中電子的行為使得電子在釋放能量時很難發射出光子，因此幾乎不可能用晶圓上的單晶硅制造出好的激光器或光學放大器。但如果沒有光源，且在許多情況下，如果沒有光放大器，應用就無法進行。

尋找光子研究人員在尋找將激光器和放大器引入硅光子設備的方法時，主要遵循三種途徑。最古老的方法是混合集成，一些供應商仍然提倡這種方法。你在所謂的III/V材料中制造激光器和光放大器，如磷化銦（indium phosphide）或砷化鎵（gallium arsenide）。這些材料確實能讓電子輕易地發出光子。然后通過光纖將這些組件連接到硅光子芯片上。這種方法是成熟的，但它非常占空間，增加了一個或多個額外die的成本。最嚴重的是，想要低成本地將光纖末端對準die上的光端口并將其固定在那里仍存在實際問題。目前仍在尋找解決方案，例如，涉及可調節的連接器。

第二種方法是異構集成。在這里，工程師們在加工過程中把III/V材料貼片機械地粘合到硅片上。然后，在加工過程中，他們制造激光器、光放大器和其他需要在III/V材料中發射光子的設備，同時在硅中制造其他光子元件。這可以實現更高的密度（例如，可以采用幾十個微小的激光器），且幾乎消除了組件之間的光耦合問題。你只需將激光器和放大器制作在準確的位置，以便在芯片上使用硅波導。但這意味著需要更復雜的晶圓加工，且整個子系統依賴于激光器的可靠性，在過去是一個嚴重的問題，但今天幾乎已經解決了。Intel和HP等公司正在采用異構集成的方式來生產光收發器，在某些情況下可以量產。

硅微孔的按比例渲染。有源區被摻入p型和n型摻雜物，并與后端金屬接觸，形成一個電控的光調制器。（圖片：Ayar Labs）

還有第三種方法。研究人員正在追求單片式集成：在硅片的晶格上外延生長晶體III/V材料。這種方案將比把材料薄片粘在晶圓的表面上有優勢。但事實證明，處理這兩種晶體之間的結構差異非常困難，導致了良率和故障率的問題。這項工作仍在繼續。

對于未來的發展方向有兩派觀點。一種也許是更保守的，認為在微電子學的歷史上，單片集成總是最終勝出，提供更高的密度、更低的功耗且最終的成本更低。

另一派則指出，即使是今天的微電子學也正在從巨大的全單片解決方案轉向使用先進的多片封裝技術的混合集成，如2.5D或真正的3D多片封裝。這種觀點認為，未來會有許多芯片，每一個都有自己的專門技術，在一個復雜的、高度工程化的封裝中緊密耦合在一起。

將這一觀點稍加概括，包括光子技術（不一定只基于硅）構成該封裝中的一些chiplet。取代芯片之間的高帶寬、低延遲連接的電氣標準，光子學將需要高密度、容易對齊的波導互連標準，也許是在光學基板或類似于Intel電子硅橋的某種硅橋。也有可能簡單地通過芯片之間的開放空間進行光束照射。

現在說哪一派的思想會最終勝出還為時過早。

新興的應用

目前，硅光子學在用于通信和網絡的電-光傳感器領域已得到廣泛認可。但不同需求的其它應用也正在出現。例如，高性能電路卡（特別是數據中心服務器卡）的設計者很想其電路板芯片之間有巨大帶寬、低延遲和低功耗的光互連。但對于這種應用，你需要在集成電路封裝的邊緣安裝光纖或波導終端。而且，你需要讓電光傳感器體積小、高效、低延遲，還要很便宜，這才能讓許多電光傳感器組合出現在電路板上的每個芯片上或旁邊。所有這些在技術上都是可行的，但我們還沒有做到。

我們還可以把目光投向光子學以外的地方，將其作為一種純粹的數據移動手段。比如說ADAS和LiDAR。今天的LiDAR系統使用激光脈沖，以機械方式在一個FoV中掃描。他們測量返回光束的ToF來計算距離。

專家們說，下一個重大進步將不是脈沖，而是FMCW LiDAR，在這種LiDAR中，光束是連續的，在一定的頻率范圍內掃描。這樣的光束可以讓ToF傳感器和光譜儀同時測量一個物體的距離和速度。

這在今天的光學實驗臺上是可能的，但硅光子學承諾提供所有的組件，從激光到固態掃描系統到光譜儀，在一個微小的量產封裝中實現。這并不是一個空洞的承諾，Intel/Mobileye在CES 2021上展示了這樣一個封裝的原型。

在醫療診斷領域，類似的實驗也在不斷成熟。歐洲研究聯盟Imec已經展示了一些使用光作為傳感裝置的診斷儀器。在一個案例中，研究人員將抗體與環形諧振器（一種光-電轉換器）結合。當抗體遇到其特定的抗原時，會與之結合，稍微改變環形諧振器的諧振頻率，從而使光子電路能夠檢測到樣品中存在的抗原。

在其他情況下，研究人員能夠使用更傳統的吸收或拉曼光譜來檢測溶液中的特定有機分子，如血液。同樣，產生相對寬光譜的光和執行光譜學的光學元件是在光子學中實現的。有趣的是，在這些情況下，僅僅一個窄帶的紅外光是不夠的。研究人員不得不用對可見光透明的不同材料制成的波導取代他們的硅光波導。

在一個完全不同的例子中，研究人員使用了一個激光干涉儀系統（同樣是在硅光子學中實現的）來測量受試者的皮膚在其脈搏的壓力波通過動脈時的起伏程度。從這個數據中，研究人員能夠確定壓力波的傳播速度，這使他們能夠估計動脈壁的硬度和閉塞程度（這是心血管疾病的一個重要指標）。因此，醫生可以在幾分鐘內無創地對心血管風險作出準確診斷。

快速、低功耗的計算

這些例子表明，光子學不僅僅是移動數據，而是進行測量，并在一定程度上分析結果。一些研究人員認為這是該領域發展中最重要一步的開始。他們指出，今天在計算中使用的許多算法都包含可以在光學模擬計算機中實現的計算需求內核。在某些情況下，還有可能使用一束激光的單一脈沖取代數百萬條機器指令。

提高計算速度和減少功耗的前景是巨大的。而且已經有了一些關于這個概念的簡單演示。例如，賓夕法尼亞大學的研究人員已經在光學中構建了一個微小的神經網絡，展示了其識別印刷字符的能力。原則上，云計算和嵌入式計算都可以利用硅光子學中實現的算法加速器，就像今天這些領域依靠硅電子加速器來加速AI、視覺處理和數學算法一樣。

邁向基礎設施

目前正在進行的工作需要將大量不同的光學設備，包括激光器、波導、放大器、諧振探測器、光柵和更多的設備集成到硅片上或靠近硅片的地方。

對于一個與半導體工藝工程師合作的光學物理學家來說，這是很有吸引力的事情。為了使這項工作對單純的人類設計團隊來說切實可行，硅光子學開發者需要一個像IC設計師那樣的設計基礎設施：組件庫、布局圖和模擬工具，以及準備提交給fab的設計所需的工藝信息。

這樣的設計環境已經在進行中了。例如，Synopsys已經宣布了類似的工具鏈和一些硅光子foundry工藝的設計套件，并聲稱有1500多個流片。其他公司正在Synopsys工具的基礎上創建相當于光子系統的設計平臺。

隨著光子元件的基礎物理學越來越成熟，封裝技術也在迎接挑戰，越來越多的工藝選擇和設計基礎設施的發展，硅光子學看起來越來越有能力，遠遠超出了它目前在數據傳輸領域的地位。

考慮到廉價的，甚至是一次性的硅光子器件的最終前景，它們可以比在硅上運行的軟件更快、以更低的功耗進行測量和執行復雜的計算，不斷增長的能力可能影響到的不僅是微電子，可能還會對社會產生巨大的影響。

審核編輯：黃飛