所謂硅光子集成技術，是以硅和硅基襯底材料（如 SiGe/Si、SOI 等）作為光學介質，通過互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容的集成電路工藝制造相應的光子器件和光電器件（包括 硅基發(fā)光器件、調制器、探測器、光波導器件等），并利用這些器件對光子進行發(fā)射、傳輸、檢測和處理，以實現其在光通信、光互連、光計算等領域中的實際應用。硅光技術的核心理念是“以光代電”，即采用激光束代替電子信號傳輸數據，將光學器件與電子元件整合至一個獨立的微芯片中。在硅片上用光取代傳統(tǒng)銅線作為信息傳導介質，大大提升芯片之間的連接速度。

　　硅光子芯片示意圖（source：IBM）

　　硅光子芯片結合了以微電子為代表的集成電路技術的超大規(guī)模、超高精度的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優(yōu)勢。硅光子技術能夠解決400G通信時代需要面對的PAM4電調制方案帶來的巨大損耗和8*50G的QSFP-DD方案引發(fā)的器件數量增加與工作帶來溫度提升帶來的溫漂等挑戰(zhàn)性問題。

　　集成硅光子的時代將來臨

　　硅光子架構主要由硅基激光器、硅基光電集成芯片、主動光學組件和光纖封裝完成，使用該技術的芯片中，電流從計算核心流出，到轉換模塊通過光電效應轉換為光信號發(fā)射到電路板上鋪設的超細光纖，到另一塊芯片后再轉換為電信號。

　　硅光子(SiP)實現廉價且規(guī)模生產的光連接，從根本上改變光器件和模塊行業(yè)。未來三五年內，這種情況還不會發(fā)生，但硅光子技術可能在下個十年證明它是破壞性?；诠韫庾拥墓膺B接與電子ASIC、光開關，或者(可能)新的量子計算設備的集成，將打開一個廣闊的創(chuàng)新前沿。

　　預計到2022年，硅光子光收發(fā)器市場將超20億美元，在全球光收發(fā)器市場中占比超20%。從出貨量來看，到2022年，硅光子光收發(fā)器在總光收發(fā)器出貨量中的占比將不到2.5%。這些產品中的大多數將是高端產品--100G或以上速率，因此定價也相對較高。

　　這似乎與許多業(yè)內專家的期望相悖，即希望硅光子能實現廉價且規(guī)模生產的光連接，并且取代現有的InP和GaAs平臺。然而，如果硅光子的主要優(yōu)勢是集成，它將會是最適合需要大量集成的復雜高端設備的技術。未來十年或二十年，分立、2X和4X集成產品(將2個或4個光功能組合到單個發(fā)射器或接收器上面)將持續(xù)依賴InP和GaAs技術。事實上美國在InP等光集成領域同樣取得了領先世界的成就，由于硅并不能直接產生激光，相比InP材料存在一定弱勢，其商用步伐也落在InP材料器件之后。光集成一定是光通信器件的發(fā)展方向，很難說未來三五年各種光集成技術將取得怎樣的突破，所以硅光子能在多大程度上成功替代還有待觀察。

　　但是在支持者眼中，硅光子幾乎是光通信走向集成的唯一選擇。一方面是因為在硅光子領域已經走得很遠，尤其是美國。另一方面，許多硅光子學可以利用的新應用，包括高性能的電腦、電信、感測器、生命科學以及量子運算等高階應用。此外，還有兩項新興應用對于硅光子而言也特別令人感興趣--瞄準自動駕駛車應用的雷達(Lidar)，以及生物化學與化學感測器，均可從整合的光學功能以及進一步的微型化中受益。而且硅光子晶片將會遠遠超越銅布線的能力，而其解決方案可望部署于高速的訊號傳輸系統(tǒng)中。

　　硅光子芯片的難題

　　硅光子早在1980年代的電子行業(yè)便處于成熟階段，但在光電子行業(yè)還有一些挑戰(zhàn)需要克服，包括光源（低成本、低速率<50Gb/s）、更小調制器（便宜、更好的峰值驅動性能、低功耗）、水平封裝及晶圓規(guī)?；瘻y試、設計和軟件（光學軟件定制化和客制化）、成熟的供應鏈及制造工藝。

　　正如中國電子科技集團公司第三十八研究所的郭進、馮俊波和曹國威在其題為《硅光子芯片工藝與設計的發(fā)展與挑戰(zhàn)》的論文中所指出，與微電子工藝相比，硅光子在總體路徑、版圖、工藝和材料方面都有其特殊性，那么在工藝的開發(fā)過程中就必須考慮到溫度預算、污染控制和關鍵工藝等問題。他們指出，硅光子集成的工藝開發(fā)路線和目標比較明確，困難之處在于如何做到與 CMOS 工藝的最大限度的兼容，從而充分利用先進的半導體設備和工藝，同時需要關注個別工藝的特殊控制。硅光子芯片的設計目前還未形成有效的系統(tǒng)性的方法，設計流程 沒有固化，輔助設計工具不完善，但基于 PDK 標準器件庫的設計方法正在逐步形成。如何進行多層次光電聯合仿真，如何與集成電路設計一樣基于可重復 IP 進行復雜芯片的快速設計等問題是硅光子芯片從小規(guī)模設計走向大規(guī)模集成應用的關鍵。