人們對硅基光電子領(lǐng)域的探索逐步深入，廣泛應用于光子計算、激光雷達、量子通信、量子計算、光學神經(jīng)網(wǎng)絡等新興領(lǐng)域，為超大規(guī)模光學系統(tǒng)的芯片化和實用化鋪平了道路。

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什么是光通信？

以光波為信號的載波以光纖為傳輸媒介的通信系統(tǒng)叫做光纖通信系統(tǒng)，隨著我國信息技術(shù)的發(fā)展，如云計算、大數(shù)據(jù)、自動駕駛、人工智能等，光通信網(wǎng)絡的傳輸能力得到了顯著的提升，已經(jīng)成為了現(xiàn)代通信基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分和關(guān)鍵承載底座。

作為數(shù)據(jù)樞紐和算力核心基礎(chǔ)設(shè)施，數(shù)據(jù)中心已成為推動社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要“算力底座”，促進數(shù)字經(jīng)濟蓬勃發(fā)展。

在傳輸容量、集成度、成本和能耗等方面存在優(yōu)勢，光芯片、光模塊成為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)的關(guān)鍵構(gòu)成。數(shù)據(jù)中心應用需要的光模塊已占大約75%通信所需光模塊的市場份額。因此，數(shù)據(jù)中心已成為光模塊的主要應用場景之一。

光通信的發(fā)展規(guī)律基本符合“光摩爾定理”，即傳輸距離不變，傳輸容量持續(xù)翻倍。通信網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流量急劇增長，這促使數(shù)據(jù)中心朝高速和大容量方向發(fā)展，也推動光模塊向更高速率升級。

硅光子短期技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展以因應數(shù)據(jù)中心與通訊領(lǐng)域之大規(guī)模需求為主，聚焦Inter-Datacenter以及Rack-to- Rack相關(guān)應用；隨著AI與HPC多元應用運算需求持續(xù)攀升，電路板等級的光學數(shù)據(jù)交換技術(shù)如OBO/CPO將快速發(fā)展，最終將走向單一芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸或?qū)ν夤鈱WI/O之發(fā)展。

這句話的意思是，以前光通信是一個即插即用的模塊，像下圖這樣：

以后的光通信可能就不是上圖這樣的，可能是一塊封裝好的芯片，和我們?nèi)粘Ｒ姷降男酒庥^一樣。

是什么力量推動著光通信向芯片級發(fā)展呢？讓我們先了解一下目前芯片發(fā)展遇到的困境。

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芯片發(fā)展遇到的困境

自從1947年Bell實驗室誕生第一支晶體管以來，芯片的尺寸大小和晶體管的集成度都遵循著“摩爾定律”進行飛速的發(fā)展。如下圖所示顯示了摩爾定律在芯片中的發(fā)展規(guī)律。然而摩爾定律隨著芯片尺寸的減小，進入到深亞微米或納米量級之后，其發(fā)展也面臨越來越嚴峻的挑戰(zhàn)。

近幾年來雖然芯片上的晶體管的數(shù)量仍在增加，但是由于晶體管的尺寸不斷地減小導致其功能受到了限制，使得晶體管數(shù)量增加的速度已經(jīng)明顯開始減緩。具體來說就是隨著溝道尺寸的減小，量子隧穿效應（quantum-mechanical tunneling）會降低晶體管的性能。

同時隨著半導體技術(shù)的提高半導體芯片的集成度越來越高，這使得各個器件之間的電互連布線引起的功耗損失和高集成度帶來的散熱問題越發(fā)的突出。

此外，電互聯(lián)介質(zhì)中傳輸?shù)母哳l趨膚效應和傳輸線路的反射作用等問題也阻礙了進一步提高集成電路的速率。

改進和優(yōu)化互聯(lián)系統(tǒng)是提高信息處理能力的關(guān)鍵所在和遇見的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)使用的解決方法是通過進一步優(yōu)化整體布局分布等方式來進行緩解，如通過優(yōu)化電學元器件的空間架構(gòu)和布局從而減小介質(zhì)之間的互聯(lián)；優(yōu)化互聯(lián)介質(zhì)之間的排布對其進行強化；或者通過一些技術(shù)將電通道中的信號進行提高。但這樣并不能從物理的根本上去解決問題，只是起到了一定的緩解作用。為了從根源上徹底解決電互聯(lián)遇到的問題，采用光子作為信息的載體的光互聯(lián)系統(tǒng)，因其具有高速，高帶寬以及低功耗和抗干擾能力強等優(yōu)點，使得其可以作為電互聯(lián)的替代方案從而獲得大家的關(guān)注。

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突破傳統(tǒng)芯片工藝的方法

發(fā)展硅基光子學從而可以實現(xiàn)硅基光互連，這是突破傳統(tǒng)微電子芯片性能瓶頸的一個重要技術(shù)手段，對推進微電子技術(shù)的發(fā)展和高性能計算技術(shù)的實現(xiàn)具有重要的應用價值。

硅基光電子集成光通信方案，是基于CMOS制造工藝，在硅基底上利用蝕刻和外延生長等工藝加工波導器件，制備無源光學器件、調(diào)制器、接收器等關(guān)鍵器件，最后將其進行互聯(lián)集成。使得其具有集成度高、成本低及傳輸性能優(yōu)良等特點。

光電探測器作為硅基光互連和光子信號處理的關(guān)鍵元器件和不可缺少的部分，已經(jīng)有了多年的發(fā)展歷程。隨著光子學芯片上器件數(shù)量的增加和功能的增多，這些器件可以組合成新的緊湊型光子集成電路。

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如何讓硅發(fā)出光？

既然是硅光通信，如何讓硅發(fā)出光來就是擺在面前的問題。Si作為一種間接帶隙半導體，自身的發(fā)光效率很低，無法直接作為光源集成到硅基光電子芯片之中。

為了實現(xiàn)其他材料的光源與硅基光電子器件的單片集成，主要采用下圖所示的三種方案：

1、Flip-chip 方案：將封裝完全的激光器直接采用物理貼合的方式與硅基芯片相連。這種方案的優(yōu)勢在于實現(xiàn)思路簡單直接，實現(xiàn)技術(shù)也相對成熟，但是需要將激光器與波導結(jié)構(gòu)進行校準，使得整個系統(tǒng)的集成度較低；

2、Wafer-bonding 方案：把Ⅲ-Ⅴ族半導體鍵合到SOI 芯片上，再加工制備成激光器。這種方案可以省去Flip-chip方案的校準貼片過程，不僅可以降低時間成本，同時可以有效提高耦合效率和系統(tǒng)集成度，利于實現(xiàn)大規(guī)模的器件制造；

3、量子點激光器：在Si芯片上外延生長GaAs/InP 薄膜，之后進行激光器的制備。因為Si 與GaAs、InP等材料都存在4.1%~8.1%的晶格常數(shù)失配，因此隨著外延生長薄膜的厚度增加，其內(nèi)部會產(chǎn)生大量的缺陷并成為載流子復合中心，由此降低器件的發(fā)光性能。較前兩種方案，這種外延方案的實現(xiàn)難度最高，但是作為與現(xiàn)有硅基平臺最為兼容的生長工藝，其未來的應用潛力和市場也是最大的。

2016年，英國倫敦大學有研究團隊采用在Si材料上生長砷化鋁（aluminum arsenide，AlAs）層進行成核，之后生長GaAs材料作為緩沖層，最終外延生長InGaAs的方案，有效抑制了缺陷的產(chǎn)生，并最終將其制備成量子點陣列結(jié)構(gòu)的激光器。實驗證明，該方案制備的量子點激光器的性能與商用的Ⅲ-Ⅴ族激光器產(chǎn)品相當，為實現(xiàn)高集成度的片上激光器提供了可能。

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結(jié)論

人們對硅基光電子領(lǐng)域的探索逐步深入，研制出大量性能卓越的無源、有源集成光學器件。并在此基礎(chǔ)之上，通過將不同器件按照一定的邏輯關(guān)系進行排布，有效地實現(xiàn)了如下圖所示的具有復雜功能的片上光互聯(lián)系統(tǒng)，廣泛應用于光子計算、激光雷達、量子通信、量子計算、光學神經(jīng)網(wǎng)絡等新興領(lǐng)域，為超大規(guī)模光學系統(tǒng)的芯片化和實用化鋪平了道路。

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