所謂硅光子集成技術(shù)，是以硅和硅基襯底材料（如 SiGe/Si、SOI 等）作為光學(xué)介質(zhì)，通過(guò)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容的集成電路工藝制造相應(yīng)的光子器件和光電器件（包括 硅基發(fā)光器件、調(diào)制器、探測(cè)器、光波導(dǎo)器件等），并利用這些器件對(duì)光子進(jìn)行發(fā)射、傳輸、檢測(cè)和處理，以實(shí)現(xiàn)其在光通信、光互連、光計(jì)算等領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。硅光技術(shù)的核心理念是“以光代電”，即采用激光束代替電子信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，將光學(xué)器件與電子元件整合至一個(gè)獨(dú)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(dǎo)介質(zhì)，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(jié)合了以微電子為代表的集成電路技術(shù)的超大規(guī)模、超高精度的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢(shì)。硅光子技術(shù)能夠解決400G通信時(shí)代需要面對(duì)的PAM4電調(diào)制方案帶來(lái)的巨大損耗和8*50G的QSFP-DD方案引發(fā)的器件數(shù)量增加與工作帶來(lái)溫度提升帶來(lái)的溫漂等挑戰(zhàn)性問(wèn)題。
集成硅光子的時(shí)代將來(lái)臨
硅光子架構(gòu)主要由硅基激光器、硅基光電集成芯片、主動(dòng)光學(xué)組件和光纖封裝完成，使用該技術(shù)的芯片中，電流從計(jì)算核心流出，到轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)發(fā)射到電路板上鋪設(shè)的超細(xì)光纖，到另一塊芯片后再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
硅光子(SiP)實(shí)現(xiàn)廉價(jià)且規(guī)模生產(chǎn)的光連接，從根本上改變光器件和模塊行業(yè)。未來(lái)三五年內(nèi)，這種情況還不會(huì)發(fā)生，但硅光子技術(shù)可能在下個(gè)十年證明它是破壞性。基于硅光子的光連接與電子ASIC、光開(kāi)關(guān)，或者(可能)新的量子計(jì)算設(shè)備的集成，將打開(kāi)一個(gè)廣闊的創(chuàng)新前沿。
預(yù)計(jì)到2022年，硅光子光收發(fā)器市場(chǎng)將超20億美元，在全球光收發(fā)器市場(chǎng)中占比超20%。從出貨量來(lái)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(chǎn)品中的大多數(shù)將是高端產(chǎn)品--100G或以上速率，因此定價(jià)也相對(duì)較高。
這似乎與許多業(yè)內(nèi)專家的期望相悖，即希望硅光子能實(shí)現(xiàn)廉價(jià)且規(guī)模生產(chǎn)的光連接，并且取代現(xiàn)有的InP和GaAs平臺(tái)。然而，如果硅光子的主要優(yōu)勢(shì)是集成，它將會(huì)是最適合需要大量集成的復(fù)雜高端設(shè)備的技術(shù)。未來(lái)十年或二十年，分立、2X和4X集成產(chǎn)品(將2個(gè)或4個(gè)光功能組合到單個(gè)發(fā)射器或接收器上面)將持續(xù)依賴InP和GaAs技術(shù)。事實(shí)上美國(guó)在InP等光集成領(lǐng)域同樣取得了領(lǐng)先世界的成就，由于硅并不能直接產(chǎn)生激光，相比InP材料存在一定弱勢(shì)，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(shuō)未來(lái)三五年各種光集成技術(shù)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?yàn)樵诠韫庾宇I(lǐng)域已經(jīng)走得很遠(yuǎn)，尤其是美國(guó)。另一方面，許多硅光子學(xué)可以利用的新應(yīng)用，包括高性能的電腦、電信、感測(cè)器、生命科學(xué)以及量子運(yùn)算等高階應(yīng)用。此外，還有兩項(xiàng)新興應(yīng)用對(duì)于硅光子而言也特別令人感興趣--瞄準(zhǔn)自動(dòng)駕駛車應(yīng)用的雷達(dá)(Lidar)，以及生物化學(xué)與化學(xué)感測(cè)器，均可從整合的光學(xué)功能以及進(jìn)一步的微型化中受益。而且硅光子晶片將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越銅布線的能力，而其解決方案可望部署于高速的訊號(hào)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(diào)制器（便宜、更好的峰值驅(qū)動(dòng)性能、低功耗）、水平封裝及晶圓規(guī)模化測(cè)試、設(shè)計(jì)和軟件（光學(xué)軟件定制化和客制化）、成熟的供應(yīng)鏈及制造工藝。
正如中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所的郭進(jìn)、馮俊波和曹國(guó)威在其題為《硅光子芯片工藝與設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)過(guò)程中就必須考慮到溫度預(yù)算、污染控制和關(guān)鍵工藝等問(wèn)題。他們指出，硅光子集成的工藝開(kāi)發(fā)路線和目標(biāo)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(jìn)的半導(dǎo)體設(shè)備和工藝，同時(shí)需要關(guān)注個(gè)別工藝的特殊控制。硅光子芯片的設(shè)計(jì)目前還未形成有效的系統(tǒng)性的方法，設(shè)計(jì)流程 沒(méi)有固化，輔助設(shè)計(jì)工具不完善，但基于 PDK 標(biāo)準(zhǔn)器件庫(kù)的設(shè)計(jì)方法正在逐步形成。如何進(jìn)行多層次光電聯(lián)合仿真，如何與集成電路設(shè)計(jì)一樣基于可重復(fù) IP 進(jìn)行復(fù)雜芯片的快速設(shè)計(jì)等問(wèn)題是硅光子芯片從小規(guī)模設(shè)計(jì)走向大規(guī)模集成應(yīng)用的關(guān)鍵。