一期一会 | 硅光子学的优势及应用挑战

片上光子集成电路非常紧凑、功耗更低、运行速度（超过100 Gb/s）比传统的光子器件更高，而且能够比电路更快速、更高效地传输信息。这些优势以及使用标准互补金属氧化物半导体（CMOS）制造技术的能力，共同推动了硅光子芯片的快速增长。

硅光子学：光子电路

在二十世纪八十年代中期，研究人员建议将光子电路与电子电路放置在同一芯片上。光子电路可以发射、调制、开关、放大和探测光。在2005年硅调制器被开发之前，单片光电集成硅芯片并不常见，而新制造工艺提供的线宽已变得足够窄，足以构建光子电路所需的波导。

就像电子芯片通过球栅阵列或导线连接到外部电路一样，光子芯片是通过光纤实现光的传输。由于更高的频率和更大的带宽，这些光学互连可以比电气互连实现更高速、更大量的数据传输。

然后，电路中还添加了激光器来产生光，同时接收器电路中的光电探测器可测量光子的能量、频率和其他特性。电力则使用传统的集成电路技术输送到每个器件或从每个器件中提取。将光信号转换为电信号的电子器件可以位于同一芯片上，也可以位于单独的电子器件中。这些探测器和发射器与片上器件相结合，可对光进行调制、开关和放大，以执行光网络中的关键功能，促进高速数据传输，或测量微观或宏观的物理属性。

一些更常用的光子组件包括：

• 波导：光子在光子电路中传输的“导线”。波导的横截面、表面粗糙度和弯曲半径会对光线在波导内部的传播产生重大影响。

• 光调制器：用于修改光束的相位、振幅、偏振、间距和衍射特性，以将信息编码到光束中的组件。

• 光源：用于在电路中产生光的各种类型的半导体激光器。激光器不是硅基的，而是使用III-V族化合物半导体。它们可以放置在外部，也可以与光子集成电路内置在相同的芯片中。

• 接收器：吸收光子并将光中编码的信息转换为电信号的光电探测器。

• 光开关：利用温度、与其他光源的相互作用以及微气蚀来控制光的器件。光开关的速度可能远快于机械开关、微机电（MEMS）开关或电气开关。

• 滤波器：利用光的一系列物理特性，使所需频率范围的光通过的各种组件。无源滤波器的频率由几何结构设定，有源滤波器的频率则由电子输入设定。

• 耦合器：分离或合并光信号的器件。

凭借其高性能表现，硅光子学取代了通信中的电气或机电开关、封装和计算机组件之间的电气互连，以及激光雷达等控制光学传感器。该技术可在其他电子系统中引入光子，从而增强现有解决方案，例如，用于光纤和复杂信号处理应用的单芯片收发器，在这类应用中，光子技术能够提供更佳的性能。

硅光子学的优势

与电子、无线电波或微波相比，使用光传输信息具有显著优势。较高的频率及多种模态（频率、振幅、相位等）等特性，使光能够以低功耗传输更多信息。当光子器件与其运行所需的电子器件内置在同一芯片中时，这些优势将成倍增加，因此，能够采用低成本的大规模生产制造工艺。

由于该技术在同一芯片上结合了光学组件和电路，与单独的光学和电气解决方案相比，光电子器件可以封装到更小的外形尺寸中。同时，因为光在波导中传播的损耗极小，而且硅光子器件具有微小的尺寸，其消耗的能量比电气器件或独立光学器件更少。

不过，硅光子学最显著的优势是，其可以使用现有的CMOS制造系统。全球半导体制造商每年生产的各种芯片超过一万亿颗。企业将半导体硬件的设计、制造、封装和测试工具应用于硅光子学技术。许多半导体代工厂正在建立光子集成设计标准，以实现更快、更低成本和更稳健的新产品开发。

硅光子学面临的挑战

即使硅光子学生态系统目前采用了先进的制造技术，但其应用发展仍存在许多挑战。一部分挑战来自基础物理学，其他则是由于制造限制。企业和高校正在开展基础和实践研究，以了解和克服这些挑战。

尽管使用SOI晶圆简化了制造，但硅会限制所使用的光的频率，而且该材料不能用于制造激光器和其他所需的组件。因此，研究人员正在寻找方法来引入新材料，如氮化硅（SiN）和磷化铟（InP）等，以扩大 波长范围。其他研究的重点是将砷化镓（GaAs）等III-V族材料集成到制造工作流程中，以构建片上光源。

光子电路中的能量损耗是设计人员必须了解和控制的另一项挑战。即使是对于光学波导弯曲半径这样简单的问题，也必须考虑损耗与紧凑性之间的权衡。在确定光调制器或滤波器类型，以及处理传感应用时，还需要克服敏感度和微型化方面的限制。

虽然比其他替代方案的成本低，但使用SiPh的器件仍然过于昂贵，无法大规模应用。目前已有数百万颗芯片采用该技术制造，但光子组件需要扩大到每年数十亿颗芯片的规模，才能降低成本并在数据中心和电信网络等场所广泛应用。

光学系统的需求还必须与光电子学的电子端要求相平衡。如果电子器件位于同一芯片上，制造方法必须平衡每种信号处理类型的需求；如果使用单独的电子器件，则通常通过先进半导体封装技术连接。在这两种方法中，电子器件生成的热量都会影响光子器件。

硅光子学应用

采用硅光子学的光学解决方案具有紧凑性、相对较低的成本、能效和低时延，这使其适用于越来越广泛的应用。最常见的用途是通过光纤进行高速数据传输。英特尔等公司正在专注于提高光收发器芯片的功能，使其适用于更广泛的应用。许多芯片可用于实现计算机网络的光路由器和信号处理器。

节点之间的光网络和给定节点内的光学互连可以显著提高人工智能、比特币挖掘和数字孪生等高性能应用的计算速度。随着处理器计算速度的提高，数据传输的带宽成为一大瓶颈，而这可以通过硅光子学来解决。

将SiPh技术运用于光子组件的一些新兴应用包括：

• 光子传感器：SiPh传感器可以测量光穿过样品时折射率的微小变化，这些变化可以识别生物或环境样本中的特定生物标志物。

• 激光雷达：光探测和测距器件发出光脉冲并测量返回时间。与使用分立组件构建的系统相比，基于硅光子学的激光雷达更紧凑、功耗更低、制造成本也更低。

• 量子计算和网络：量子计算机使用光子进行计算。量子计算机内部和量子计算机之间的光管理受益于光子集成电路的速度、准确性和低成本。

硅光子学日益重要的作用

自二十世纪八十年代推出以来，硅光子学组件的作用，从支持电信光纤通信的基本功能不断发展。随着时间的推移，硅光子学的应用越来越广泛，已进入计算领域，现在还进入了光学传感器领域。制造商正在为无晶圆厂企业提供代工厂，从而实现该技术的更广泛应用。随着制造能力的提高和应用的不断增加，设计和仿真工具已得到改进，以支持更复杂、更高效的设计。

新一代单片器件（包括电子和光子集成电路）将利用混合制造方法，将硅以外的材料引入器件中。此外，其还将使用更精确的制造方法、更小的特征尺寸和先进的半导体封装方法。这些变化将提高数据通信和高性能计算应用中数据传输的带宽和速度，并有望彻底改变光学传感技术。