【資訊】新型硅基光電子 | 引導(dǎo)的前沿應(yīng)用發(fā)展

　　隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人類對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和處理的需求越來(lái)越高，基于硅材料的微電子技術(shù)受到了物理極限的約束、摩爾定律面臨失效的危機(jī)。在此情況下，硅基光電子集成器件憑借其小尺寸、高集成度、低功耗、與成熟的CMOS工藝相兼容等優(yōu)勢(shì)，成為了推動(dòng)“后摩爾時(shí)代”技術(shù)發(fā)展的方向之一?；诠璨牧系墓怆娦?yīng)和光學(xué)性質(zhì)，硅基光電子芯片可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的調(diào)制、檢測(cè)、放大、傳輸及處理，目前主流的硅基光電子器件包括：發(fā)光器件、調(diào)制器件、探測(cè)器件等，并且硅基光電子集成器件還具有高帶寬、高速率、高集成度、低成本等優(yōu)勢(shì)，因此在高速通信、高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域中都具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　新型硅基激光雷達(dá)，智能駕駛的守護(hù)者

　　隨著小米Su7、華為問界等新能源車的不斷發(fā)展，人們對(duì)自動(dòng)駕駛、三維成像等技術(shù)的需求也不斷增加。激光雷達(dá)作為車載應(yīng)用，主要通過發(fā)射激光束來(lái)識(shí)別和探測(cè)車輛周圍物體的方位和速度。傳統(tǒng)的激光雷達(dá)主要采用的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、易磨損、易被干擾等缺點(diǎn)的機(jī)械轉(zhuǎn)向探測(cè)方式，已經(jīng)無(wú)法滿足駕駛?cè)藛T的需求，因此，為了實(shí)現(xiàn)更高分辨率、更精確的測(cè)量，硅基激光器等光電子芯片吸引了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，硅基光電子芯片的重要性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面

　　(1)硅基光電子芯片可以實(shí)現(xiàn)微型化的波導(dǎo)和分束器，用于將激光束分束成多個(gè)方向并進(jìn)行定向發(fā)射，這些波導(dǎo)和分束器的微型化和集成化可以大大減小激光雷達(dá)系統(tǒng)的體積和重量，提高其在車輛、機(jī)器人和無(wú)人機(jī)等移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用性;(2)通過在芯片上集成光探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)激光束反射信號(hào)的接收，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及減小成本、功耗，進(jìn)而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性;(3)硅基光電子芯片的光調(diào)制器可以用于調(diào)制激光束的相位和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)系統(tǒng)中的信號(hào)調(diào)制和解調(diào)，這些光調(diào)制器的微型化和集成化可以提高系統(tǒng)的性能和靈活性，并支持多種工作模式和應(yīng)用場(chǎng)景;(4)硅基光電子芯片還可以集成光濾波器，實(shí)現(xiàn)在選擇特定波長(zhǎng)激光信號(hào)的同時(shí)濾除其他波長(zhǎng)的干擾信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)更精確的目標(biāo)識(shí)別和跟蹤。

　　圖1 基于硅基片上激光雷達(dá)的全視野成像示意圖

　　硅光新時(shí)代的互聯(lián)與通信

　　光通信是硅基光電子芯片的主戰(zhàn)場(chǎng)之一。硅基光子芯片的發(fā)展，高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)母锩赃M(jìn)步，通過與微電子電路進(jìn)行集成，還可以在減少芯片上的器件數(shù)目、提高互連密度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)超高速、超高帶寬、低延時(shí)的片上互連。針對(duì)片上光信號(hào)處理的重要需求，浙江大學(xué)戴道鋅教授團(tuán)隊(duì)提出了一種可編程硅光信號(hào)處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)延時(shí)、微波光子波束形成、任意光信號(hào)濾波和任意波形產(chǎn)生等多種功能?；诠杌庾有酒谕ㄐ排c互聯(lián)領(lǐng)域的藍(lán)海市場(chǎng)，近年來(lái)光迅、華為、賽勒光電等企業(yè)也不斷在硅光市場(chǎng)開展產(chǎn)業(yè)布局，硅光互連芯片的研究進(jìn)展在近年來(lái)取得了顯著的突破：2021年，中國(guó)信科集團(tuán)聯(lián)合國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心、鵬城實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)，完成了1.6 Tb/s硅基光收芯片的聯(lián)合研制和功能驗(yàn)證，該芯片在單顆硅基光發(fā)射芯片和硅基光接收芯片上集成了8個(gè)通道的高速電光調(diào)制器和高速光電探測(cè)器，每個(gè)通道可實(shí)現(xiàn)200 Gb/s PAM4高速信號(hào)的光電和電光轉(zhuǎn)換，該成果標(biāo)志著中國(guó)硅光芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)了Tb/s級(jí)的一次跨越;2023年，NVIDIA開發(fā)用于實(shí)現(xiàn)高通量、高能效的光學(xué)NVLink連接的硅基光電子技術(shù)。在未來(lái)，隨著硅基光電子技術(shù)在帶寬、速率、抗干擾及超大規(guī)模集成等方面優(yōu)勢(shì)的進(jìn)一步增強(qiáng)，其應(yīng)用將推動(dòng)通信、數(shù)據(jù)中心的進(jìn)一步發(fā)展。

　　圖2 傳統(tǒng)光模塊與硅光模塊工作原理

　　硅光芯片與生物傳感

　　生物傳感器能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)、核酸等結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)變成聲、光、電等信號(hào)，因此在藥物研發(fā)、生物診斷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景?；诠韫饧夹g(shù)高靈敏度、高集成度和低損耗的特點(diǎn)，硅基光電子芯片成為了生物傳感領(lǐng)域中快速發(fā)展的研究方向之一。硅基光電子芯片可以集成成百上千個(gè)微型傳感器單元，形成傳感器陣列，用于同時(shí)檢測(cè)多種生物分子，這種傳感器陣列可以實(shí)現(xiàn)高通量、高效率的生物分子檢測(cè)，加快分析速度，降低成本，提高檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性。通過在芯片上集成光學(xué)探測(cè)器和波導(dǎo)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞形態(tài)、大小、數(shù)量、位置和運(yùn)動(dòng)等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和成像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞生物學(xué)過程的深入理解。根據(jù)傳感原理的差異，可以將硅基生物傳感器分為基于折射率變化、熒光技術(shù)及拉曼散射的生物傳感?？偟膩?lái)說(shuō)，硅基光電子集成器件在生物傳感方面的應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)生物分子的高靈敏度、高選擇性和實(shí)時(shí)檢測(cè)，推動(dòng)生物傳感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

　　圖3 用于生物傳感的硅基光電子芯片

　　基于硅光集成芯片的光量子技術(shù)，

　　與傳統(tǒng)光學(xué)芯片相比，由于硅基光量子芯片具有無(wú)源低損耗、多維易調(diào)控、便于大規(guī)模集成等優(yōu)勢(shì)，有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子信息的處理，因此有望促進(jìn)量子計(jì)算、量子傳感等領(lǐng)域的發(fā)展，例如：硅基光電子器件可以用于實(shí)現(xiàn)量子通信系統(tǒng)中的光子的發(fā)射、傳輸和檢測(cè);通過利用硅波導(dǎo)和光調(diào)制器等器件，可以實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的控制和調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)量子通信中的量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)和量子糾纏分發(fā)等功能;通過在硅芯片上集成光子晶體波導(dǎo)和光調(diào)制器等器件，還可以實(shí)現(xiàn)光子的操控和量子比特之間的耦合，從而實(shí)現(xiàn)量子門操作和量子算法的執(zhí)行。

　　圖4 硅基光量子集成芯片的功能模塊示意圖

　　賦能AI，硅光計(jì)算芯片成就算力未來(lái)

　　近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、圖像識(shí)別和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)快速處理產(chǎn)生了急切的需求。但隨著晶體管的尺寸已逐漸接近摩爾定律極限，基于傳統(tǒng)微電子芯片的計(jì)算機(jī)算力已經(jīng)接近瓶頸。而硅光子芯片由于光子本身具有傳輸速度高、低功耗和可并行等優(yōu)點(diǎn)，因此光子計(jì)算芯片是實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算的一個(gè)非常有潛力的方案。光計(jì)算是目前研究的熱點(diǎn)方向，它與人工智能、腦科學(xué)和大數(shù)據(jù)等行業(yè)相關(guān)聯(lián)，又與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體技術(shù)、光電集成技術(shù)緊密相關(guān)，但目前該領(lǐng)域的研究仍處于起步階段。推動(dòng)光計(jì)算的發(fā)展需要半導(dǎo)體材料技術(shù)、微電子技術(shù)、光子技術(shù)、封裝技術(shù)和算法等多學(xué)科共同努力，加速軟件與硬件的融合，從而使光計(jì)算可以應(yīng)用于實(shí)際，解決目前所面臨的算力瓶頸。

　　圖5 面向量子計(jì)算與量子模擬的大規(guī)模硅基光量子芯片

　　總結(jié)與展望

　　硅基光電子集成器件作為一種重要的光電子技術(shù)，已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心、5G通信、生物醫(yī)學(xué)和激光雷達(dá)等領(lǐng)域中得到了初步應(yīng)用，但由于其在成本、功耗、良率等方面仍存在不足，并且光耦合、光功率、硅光波分復(fù)用器件集成等工藝方面也亟需提升，因此還需要針對(duì)硅基光電子集成器件開展進(jìn)一步的研究。在未來(lái)，隨著硅基光電子技術(shù)的不斷革新，其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也將會(huì)更加廣泛和深入，并對(duì)推動(dòng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。

       參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng) 

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