芯片級(jí)硅光通信技術(shù)介紹

人們對(duì)硅基光電子領(lǐng)域的探索逐步深入，廣泛應(yīng)用于光子計(jì)算、激光雷達(dá)、量子通信、量子計(jì)算、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新興領(lǐng)域，為超大規(guī)模光學(xué)系統(tǒng)的芯片化和實(shí)用化鋪平了道路。

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什么是光通信？

以光波為信號(hào)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(guó)信息技術(shù)的發(fā)展，如云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、自動(dòng)駕駛、人工智能等，光通信網(wǎng)絡(luò)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(dòng)社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要“算力底座”，促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)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(shì)，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(yīng)用需要的光模塊已占大約75%通信所需光模塊的市場(chǎng)份額。因此，數(shù)據(jù)中心已成為光模塊的主要應(yīng)用場(chǎng)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(luò)中的數(shù)據(jù)流量急劇增長(zhǎng)，這促使數(shù)據(jù)中心朝高速和大容量方向發(fā)展，也推動(dòng)光模塊向更高速率升級(jí)。

硅光子短期技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展以因應(yīng)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(yīng)用；隨著AI與HPC多元應(yīng)用運(yùn)算需求持續(xù)攀升，電路板等級(jí)的光學(xué)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W(xué)I/O之發(fā)展。

這句話(huà)的意思是，以前光通信是一個(gè)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?jiàn)到的芯片外觀一樣。

是什么力量推動(dòng)著光通信向芯片級(jí)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(shí)驗(yàn)室誕生第一支晶體管以來(lái)，芯片的尺寸大小和晶體管的集成度都遵循著“摩爾定律”進(jìn)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(jìn)入到深亞微米或納米量級(jí)之后，其發(fā)展也面臨越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

近幾年來(lái)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(dǎo)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(kāi)始減緩。具體來(lái)說(shuō)就是隨著溝道尺寸的減小，量子隧穿效應(yīng)（quantum-mechanical tunneling）會(huì)降低晶體管的性能。

同時(shí)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的提高半導(dǎo)體芯片的集成度越來(lái)越高，這使得各個(gè)器件之間的電互連布線(xiàn)引起的功耗損失和高集成度帶來(lái)的散熱問(wèn)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(yīng)和傳輸線(xiàn)路的反射作用等問(wèn)題也阻礙了進(jìn)一步提高集成電路的速率。

改進(jìn)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(jiàn)的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)使用的解決方法是通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化整體布局分布等方式來(lái)進(jìn)行緩解，如通過(guò)優(yōu)化電學(xué)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(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化；或者通過(guò)一些技術(shù)將電通道中的信號(hào)進(jìn)行提高。但這樣并不能從物理的根本上去解決問(wèn)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(wèn)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(xué)從而可以實(shí)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(gè)重要技術(shù)手段，對(duì)推進(jìn)微電子技術(shù)的發(fā)展和高性能計(jì)算技術(shù)的實(shí)現(xiàn)具有重要的應(yīng)用價(jià)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(zhǎng)等工藝加工波導(dǎo)器件，制備無(wú)源光學(xué)器件、調(diào)制器、接收器等關(guān)鍵器件，最后將其進(jìn)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(diǎn)。

光電探測(cè)器作為硅基光互連和光子信號(hào)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(xué)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(lái)就是擺在面前的問(wèn)題。Si作為一種間接帶隙半導(dǎo)體，自身的發(fā)光效率很低，無(wú)法直接作為光源集成到硅基光電子芯片之中。

為了實(shí)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(shì)在于實(shí)現(xiàn)思路簡(jiǎn)單直接，實(shí)現(xiàn)技術(shù)也相對(duì)成熟，但是需要將激光器與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)，使得整個(gè)系統(tǒng)的集成度較低；

2、Wafer-bonding 方案：把Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)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(zhǔn)貼片過(guò)程，不僅可以降低時(shí)間成本，同時(shí)可以有效提高耦合效率和系統(tǒng)集成度，利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的器件制造；

3、量子點(diǎn)激光器：在Si芯片上外延生長(zhǎng)GaAs/InP 薄膜，之后進(jìn)行激光器的制備。因?yàn)镾i 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(zhǎng)薄膜的厚度增加，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的缺陷并成為載流子復(fù)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(shí)現(xiàn)難度最高，但是作為與現(xiàn)有硅基平臺(tái)最為兼容的生長(zhǎng)工藝，其未來(lái)的應(yīng)用潛力和市場(chǎng)也是最大的。

2016年，英國(guó)倫敦大學(xué)有研究團(tuán)隊(duì)采用在Si材料上生長(zhǎng)砷化鋁（aluminum arsenide，AlAs）層進(jìn)行成核，之后生長(zhǎng)GaAs材料作為緩沖層，最終外延生長(zhǎng)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(diǎn)陣列結(jié)構(gòu)的激光器。實(shí)驗(yàn)證明，該方案制備的量子點(diǎn)激光器的性能與商用的Ⅲ-Ⅴ族激光器產(chǎn)品相當(dāng)，為實(shí)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(duì)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(wú)源、有源集成光學(xué)器件。并在此基礎(chǔ)之上，通過(guò)將不同器件按照一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行排布，有效地實(shí)現(xiàn)了如下圖所示的具有復(fù)雜功能的片上光互聯(lián)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于光子計(jì)算、激光雷達(dá)、量子通信、量子計(jì)算、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新興領(lǐng)域，為超大規(guī)模光學(xué)系統(tǒng)的芯片化和實(shí)用化鋪平了道路。

參考文獻(xiàn)：

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(3)朱明月面向城域數(shù)據(jù)中心之間光互聯(lián)的高速光纖傳輸系統(tǒng)研究[D].

(4)李玉面向光通信應(yīng)用的近紅外雪崩光電探測(cè)器芯片的研究[D].

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(7)劉小斌新型鍺硅雪崩光電二極管芯片的研制[D].

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