芯片级硅光通信技术介绍

人们对硅基光电子领域的探索逐步深入，广泛应用于光子计算、激光雷达、量子通信、量子计算、光学神经网络等新兴领域，为超大规模光学系统的芯片化和实用化铺平了道路。

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什么是光通信？

以光波为信号的载波以光纤为传输媒介的通信系统叫做光纤通信系统，随着我国信息技术的发展，如云计算、大数据、自动驾驶、人工智能等，光通信网络的传输能力得到了显著的提升，已经成为了现代通信基础设施的重要组成部分和关键承载底座。

作为数据枢纽和算力核心基础设施，数据中心已成为推动社会数字化转型的重要“算力底座”，促进数字经济蓬勃发展。

在传输容量、集成度、成本和能耗等方面存在优势，光芯片、光模块成为数据中心内部互联的关键构成。数据中心应用需要的光模块已占大约75%通信所需光模块的市场份额。因此，数据中心已成为光模块的主要应用场景之一。

光通信的发展规律基本符合“光摩尔定理”，即传输距离不变，传输容量持续翻倍。通信网络中的数据流量急剧增长，这促使数据中心朝高速和大容量方向发展，也推动光模块向更高速率升级。

硅光子短期技术产品发展以因应数据中心与通讯领域之大规模需求为主，聚焦Inter-Datacenter以及Rack-to- Rack相关应用；随着AI与HPC多元应用运算需求持续攀升，电路板等级的光学数据交换技术如OBO/CPO将快速发展，最终将走向单一芯片内部数据传输或对外光学I/O之发展。

这句话的意思是，以前光通信是一个即插即用的模块，像下图这样：

以后的光通信可能就不是上图这样的，可能是一块封装好的芯片，和我们日常见到的芯片外观一样。

是什么力量推动着光通信向芯片级发展呢？让我们先了解一下目前芯片发展遇到的困境。

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芯片发展遇到的困境

自从1947年Bell实验室诞生第一支晶体管以来，芯片的尺寸大小和晶体管的集成度都遵循着“摩尔定律”进行飞速的发展。如下图所示显示了摩尔定律在芯片中的发展规律。然而摩尔定律随着芯片尺寸的减小，进入到深亚微米或纳米量级之后，其发展也面临越来越严峻的挑战。

近几年来虽然芯片上的晶体管的数量仍在增加，但是由于晶体管的尺寸不断地减小导致其功能受到了限制，使得晶体管数量增加的速度已经明显开始减缓。具体来说就是随着沟道尺寸的减小，量子隧穿效应（quantum-mechanical tunneling）会降低晶体管的性能。

同时随着半导体技术的提高半导体芯片的集成度越来越高，这使得各个器件之间的电互连布线引起的功耗损失和高集成度带来的散热问题越发的突出。

此外，电互联介质中传输的高频趋肤效应和传输线路的反射作用等问题也阻碍了进一步提高集成电路的速率。

改进和优化互联系统是提高信息处理能力的关键所在和遇见的挑战。传统使用的解决方法是通过进一步优化整体布局分布等方式来进行缓解，如通过优化电学元器件的空间架构和布局从而减小介质之间的互联；优化互联介质之间的排布对其进行强化；或者通过一些技术将电通道中的信号进行提高。但这样并不能从物理的根本上去解决问题，只是起到了一定的缓解作用。为了从根源上彻底解决电互联遇到的问题，采用光子作为信息的载体的光互联系统，因其具有高速，高带宽以及低功耗和抗干扰能力强等优点，使得其可以作为电互联的替代方案从而获得大家的关注。

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突破传统芯片工艺的方法

发展硅基光子学从而可以实现硅基光互连，这是突破传统微电子芯片性能瓶颈的一个重要技术手段，对推进微电子技术的发展和高性能计算技术的实现具有重要的应用价值。

硅基光电子集成光通信方案，是基于CMOS制造工艺，在硅基底上利用蚀刻和外延生长等工艺加工波导器件，制备无源光学器件、调制器、接收器等关键器件，最后将其进行互联集成。使得其具有集成度高、成本低及传输性能优良等特点。

光电探测器作为硅基光互连和光子信号处理的关键元器件和不可缺少的部分，已经有了多年的发展历程。随着光子学芯片上器件数量的增加和功能的增多，这些器件可以组合成新的紧凑型光子集成电路。

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如何让硅发出光？

既然是硅光通信，如何让硅发出光来就是摆在面前的问题。Si作为一种间接带隙半导体，自身的发光效率很低，无法直接作为光源集成到硅基光电子芯片之中。

为了实现其他材料的光源与硅基光电子器件的单片集成，主要采用下图所示的三种方案：

1、Flip-chip 方案：将封装完全的激光器直接采用物理贴合的方式与硅基芯片相连。这种方案的优势在于实现思路简单直接，实现技术也相对成熟，但是需要将激光器与波导结构进行校准，使得整个系统的集成度较低；

2、Wafer-bonding 方案：把Ⅲ-Ⅴ族半导体键合到SOI 芯片上，再加工制备成激光器。这种方案可以省去Flip-chip方案的校准贴片过程，不仅可以降低时间成本，同时可以有效提高耦合效率和系统集成度，利于实现大规模的器件制造；

3、量子点激光器：在Si芯片上外延生长GaAs/InP 薄膜，之后进行激光器的制备。因为Si 与GaAs、InP等材料都存在4.1%~8.1%的晶格常数失配，因此随着外延生长薄膜的厚度增加，其内部会产生大量的缺陷并成为载流子复合中心，由此降低器件的发光性能。较前两种方案，这种外延方案的实现难度最高，但是作为与现有硅基平台最为兼容的生长工艺，其未来的应用潜力和市场也是最大的。

2016年，英国伦敦大学有研究团队采用在Si材料上生长砷化铝（aluminum arsenide，AlAs）层进行成核，之后生长GaAs材料作为缓冲层，最终外延生长InGaAs的方案，有效抑制了缺陷的产生，并最终将其制备成量子点阵列结构的激光器。实验证明，该方案制备的量子点激光器的性能与商用的Ⅲ-Ⅴ族激光器产品相当，为实现高集成度的片上激光器提供了可能。

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结论

人们对硅基光电子领域的探索逐步深入，研制出大量性能卓越的无源、有源集成光学器件。并在此基础之上，通过将不同器件按照一定的逻辑关系进行排布，有效地实现了如下图所示的具有复杂功能的片上光互联系统，广泛应用于光子计算、激光雷达、量子通信、量子计算、光学神经网络等新兴领域，为超大规模光学系统的芯片化和实用化铺平了道路。

参考文献：

(1)刘巍硅基可重构器件及其在光通信中的应用研究[D].

(2)章琼琼基于单光子探测的光通信技术研究[D].

(3)朱明月面向城域数据中心之间光互联的高速光纤传输系统研究[D].

(4)李玉面向光通信应用的近红外雪崩光电探测器芯片的研究[D].

(5)袁纬方面向数据中心应用的集成微透镜光探测器芯片研究[D].

(6)李雨轩新型锗硅光电探测器的研制[D].

(7)刘小斌新型锗硅雪崩光电二极管芯片的研制[D].

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