【資訊】硅基光電子(SBO)芯片的概念與典型應(yīng)用

　　　PART.2硅基光電子

　　電子、光子、光譜、半導體是信息技術(shù)核心要素。電子具有相互作用，是構(gòu)建邏輯運算和存儲器件的基石;光子互不干擾，可以高速低能耗地傳輸信息;光譜是傳輸資源，通過波分復用技術(shù)可以實現(xiàn)大容量信息傳輸;半導體是芯片材料，其特性為芯片賦予無限潛能，其中硅材料具有九成的市場。在半導體芯片中，光與電是不分家的，利用半導體材料制備的發(fā)光二極管與太陽能電池等器件，通過電子與光子的相互作用，可以實現(xiàn)電與光的相互轉(zhuǎn)換。

　　所有光學現(xiàn)象都是光電相互作用的結(jié)果，光電相互作用是實現(xiàn)光的產(chǎn)生、傳輸、調(diào)制、探測和放大等所有功能過程的基礎(chǔ)。光的本質(zhì)是電磁波，光入射到介質(zhì)波導中時，會與介質(zhì)發(fā)生相互作用，光與介質(zhì)相互作用的本質(zhì)就是光電相互作用，這種相互作用會改變介質(zhì)材料的折射率等性質(zhì)，從而影響光的傳播路徑和其他特性，作用的結(jié)果體現(xiàn)在輸出光場的強度、自旋、相位、偏振、頻率等性質(zhì)的變化上。這種相互作用體現(xiàn)了光電之間深層次的本征耦合關(guān)系。

　　從科學發(fā)展的過程來看，從電子學、光子學，然后光電子學，再到硅基光電子學，這是一個進階發(fā)展的過程。與電子相比，光子沒有靜止質(zhì)量，光子之間并不干擾，光傳輸系統(tǒng)可具有更大的帶寬和更高的速率。然而，傳統(tǒng)光電子元器件尺寸較大、制造成本高。在當今大數(shù)據(jù)時代，這一解決方案不再滿足低能耗、低成本、高速的信息處理要求，光電子技術(shù)和微電子技術(shù)勢必要在同一襯底上進行集成，這一需求推動了SBO的發(fā)展。

　　需要注意的是，硅光芯片和SBO芯片有所不同。硅光芯片的本質(zhì)是將光電子器件硅片化，SBO芯片則是一個更廣泛的概念，它不僅僅包含硅光芯片，還包括微電子芯片和光電子芯片。SBO芯片更強調(diào)光子與電子的相互作用與大規(guī)模集成，它是目前半導體芯片發(fā)展的高級階段，是后摩爾時代的核心技術(shù)，也是大數(shù)據(jù)時代的基石。

　　圖1 SBO芯片概念圖

　　PART.3硅基光電子研究進展

　　根據(jù)是否需要外部電源驅(qū)動，可以將SBO器件分為無源器件與有源器件，其中僅通過波導結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的器件稱為無源器件，有源器件則需要外加電場進行驅(qū)動。

　　波導是 SBO 芯片集成關(guān)鍵，通過采用多模波導、歐拉彎曲、亞波長光柵等波導結(jié)構(gòu)設(shè)計以及波導制備的工藝優(yōu)化可以很好地降低傳輸損耗與串擾，為大規(guī)模集成提供支持。利用光學傳輸?shù)念l譜、模式等資源，通過(解)復用技術(shù)可以讓多路信號在同一個波導或光纖中并行傳輸?；旌蠌陀眉夹g(shù)是提升傳輸信道數(shù)量的重要方案，通過對波導內(nèi)色散的補償可以進一步提升模式通道的支持數(shù)量。

　　高性能可集成的有源器件是實現(xiàn)大規(guī)模集成的重要條件。由于硅材料缺陷，片上電泵浦激光器方案是通過其他材料平臺激光器異質(zhì)集成實現(xiàn)的，如硅基嵌入式外延、離子切割加外延生長等方法;小體積可集成和大帶寬高速率一直是電光調(diào)制器的發(fā)展趨勢，通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、異質(zhì)集成等方式使調(diào)制器性能在體積與帶寬方面取得了較大突破;光電探測器性能飛躍，寄生參數(shù)工程與電場分布調(diào)控助力探測器帶寬提升，為高速光電互連器件設(shè)計提供了方案。

　　SBO 芯片中集成光電子器件與 IC 組件意義深遠，可大幅削減成本、豐富功能。先進工藝將數(shù)字、模擬、光電模塊精妙集成在硅襯底上，隔離層工藝巧妙削減散射損耗，多晶硅厚度精準調(diào)控適配多種波導器件。45 nm SOI-CMOS 工藝電光集成芯片已被報道，可實現(xiàn)4 波長單波 64 Gbit/s 高速交換，彰顯了SBO 芯片的集成優(yōu)勢。

　　PART.4 硅基光電子應(yīng)用

　　信息社會互聯(lián)互通需求劇增，硅基光電互連網(wǎng)絡(luò)順勢崛起，在光收發(fā)模塊與片上互連方案中均取得巨大突破。隨著技術(shù)的發(fā)展，光模塊已從100G、400G發(fā)展到目前正在量產(chǎn)的800G，以及下一代1.6T。SBO技術(shù)正憑借著其優(yōu)勢，在通信領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心的硅基收發(fā)模塊已經(jīng)達到總模塊的半數(shù)以上。硅基片上、片間互連被證明是滿足高算力、高存取、低延遲需求的重要方案，目前英特爾、曦智科技等公司均推出了采用該方案的人工智能商用產(chǎn)品，它們帶寬提升、能耗下降，為高算力芯片筑牢根基。

　　圖2 (a)信息社會結(jié)構(gòu)示意圖;(b)硅基集成100 Gbit/s相干接收及傳輸芯片;(c)曦智科技光電混合芯片;(d)英特爾集成光電計算互連芯片

　　光電傳感芯片借 SBO 集成優(yōu)勢，于汽車雷達、醫(yī)療探測、環(huán)境監(jiān)測等多領(lǐng)域大顯身手。激光雷達芯片正向著規(guī)?；c集成化方向發(fā)展，Michael R. Watts團隊 9216 通道大規(guī)模芯片[IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits (VLSI Technology and Circuits) (pp. 1-2). IEEE]與周林杰團隊多層 Si3N4-SOI 平臺創(chuàng)新成果[Optical Fiber Communication Conference (pp. M4B-1)]，大幅提升探測精度、拓展探測范圍，為智能駕駛、航空航天精準導航。硅基光電生物傳感芯片具有高的靈敏度與檢測極限。先進的光電集成器件和微系統(tǒng)設(shè)計與加工優(yōu)勢可以規(guī)?；峁┬阅芊€(wěn)定的高質(zhì)量、低成本的硅基傳感芯片來應(yīng)對多樣的生物樣品。

　　圖3 (a)9216通道激光雷達系統(tǒng)光學相控陣芯片;(b)(c)激光雷達 CMOS驅(qū)動芯片引腳示意圖(d)基于多層Si3N4-SOI平臺的激光雷達發(fā)射機芯片;(e)芯片封裝圖

　　SBO 平臺光電計算系統(tǒng)強調(diào)光電計算和微電子計算的優(yōu)勢互補，光子高速傳輸、光電器件矩陣運算專長與微電子邏輯存儲優(yōu)勢強強聯(lián)合。馬赫-曾德爾干涉儀與多模干涉耦合器各展其能，光電計算能效、時延、帶寬優(yōu)勢盡顯，遠超傳統(tǒng)微電子計算。Harish Bhaskaran 團隊光電內(nèi)存計算架構(gòu)，卷積運算精準高效[Nature Photonics 17.12 (2023): 1080-1088];戴瓊海團隊 “太極” 芯片大規(guī)模并行計算、能耗比出眾，為復雜任務(wù)處理與大型網(wǎng)絡(luò)模型運算提供算力支持[Science 384.6692 (2024): 202-209]。

　　圖4 硅基光電計算初級系統(tǒng)[圖片來中國激光

　　PART.5 硅基光電子面臨的挑戰(zhàn)

　　設(shè)計工具困境。芯片設(shè)計工具生態(tài)脆弱，器件、鏈路仿真與版圖工具孤立零散，數(shù)據(jù)交互梗阻重重，統(tǒng)一語言、規(guī)范格式匱乏，掣肘設(shè)計效率與協(xié)同創(chuàng)新，拖累SBO技術(shù)創(chuàng)新步伐，亟待構(gòu)建完備的集成設(shè)計環(huán)境，激活創(chuàng)新潛能。

　　工藝抉擇難題。主流SBO工藝平臺利弊交織，片上光源、運放、探測集成深陷工藝權(quán)衡泥沼，電、光工藝參數(shù)沖突頻現(xiàn)，無源性能退化如影隨形，復雜工藝致成本攀升、良率波動，產(chǎn)業(yè)推廣受阻，亟需創(chuàng)新工藝協(xié)同策略來化解矛盾、降低成本、提升良率。

　　量產(chǎn)一致性挑戰(zhàn)。SBO芯片制造敏感度高，量產(chǎn)中產(chǎn)品性能波動問題棘手，微觀結(jié)構(gòu)偏差易引發(fā)性能“蝴蝶效應(yīng)”，因此，構(gòu)建系統(tǒng)監(jiān)控機制與測試體系迫在眉睫，精準測控、實時反饋、智能調(diào)控，從而保障芯片性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠，護航產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展。

　　PART.6 總結(jié)與展望

　　SBO技術(shù)深度融合光電優(yōu)勢，是后摩爾時代的核心技術(shù)，雖挑戰(zhàn)重重，但潛力巨大。未來，隨工藝精進、設(shè)計革新、量產(chǎn)難題攻克，SBO技術(shù)將深度影響信息產(chǎn)業(yè)格局，在高速通信、智能傳感、計算等核心領(lǐng)域“展露鋒芒”，為信息系統(tǒng)小型化、智能化注入磅礴動力，推動人類信息社會快速發(fā)展。

       參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng) 

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