PART.2硅基光電子

　　電子、光子、光譜、半導體是信息技術核心要素。電子具有相互作用，是構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，通過波分復用技術可以實現大容量信息傳輸;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，可以實現電與光的相互轉換。

　　所有光學現象都是光電相互作用的結果，光電相互作用是實現光的產生、傳輸、調制、探測和放大等所有功能過程的基礎。光的本質是電磁波，光入射到介質波導中時，會與介質發生相互作用，光與介質相互作用的本質就是光電相互作用，這種相互作用會改變介質材料的折射率等性質，從而影響光的傳播路徑和其他特性，作用的結果體現在輸出光場的強度、自旋、相位、偏振、頻率等性質的變化上。這種相互作用體現了光電之間深層次的本征耦合關系。

　　從科學發展的過程來看，從電子學、光子學，然后光電子學，再到硅基光電子學，這是一個進階發展的過程。與電子相比，光子沒有靜止質量，光子之間并不干擾，光傳輸系統可具有更大的帶寬和更高的速率。然而，傳統光電子元器件尺寸較大、制造成本高。在當今大數據時代，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，光電子技術和微電子技術勢必要在同一襯底上進行集成，這一需求推動了SBO的發展。

　　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芯片更強調光子與電子的相互作用與大規模集成，它是目前半導體芯片發展的高級階段，是后摩爾時代的核心技術，也是大數據時代的基石。

　　圖1 SBO芯片概念圖

　　PART.3硅基光電子研究進展

　　根據是否需要外部電源驅動，可以將SBO器件分為無源器件與有源器件，其中僅通過波導結構實現的器件稱為無源器件，有源器件則需要外加電場進行驅動。

　　波導是 SBO 芯片集成關鍵，通過采用多模波導、歐拉彎曲、亞波長光柵等波導結構設計以及波導制備的工藝優化可以很好地降低傳輸損耗與串擾，為大規模集成提供支持。利用光學傳輸的頻譜、模式等資源，通過(解)復用技術可以讓多路信號在同一個波導或光纖中并行傳輸。混合復用技術是提升傳輸信道數量的重要方案，通過對波導內色散的補償可以進一步提升模式通道的支持數量。

　　高性能可集成的有源器件是實現大規模集成的重要條件。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集成實現的，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制器的發展趨勢，通過結構創新、異質集成等方式使調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，寄生參數工程與電場分布調控助力探測器帶寬提升，為高速光電互連器件設計提供了方案。

　　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4 波長單波 64 Gbit/s 高速交換，彰顯了SBO 芯片的集成優勢。

　　PART.4 硅基光電子應用

　　信息社會互聯互通需求劇增，硅基光電互連網絡順勢崛起，在光收發模塊與片上互連方案中均取得巨大突破。隨著技術的發展，光模塊已從100G、400G發展到目前正在量產的800G，以及下一代1.6T。SBO技術正憑借著其優勢，在通信領域中發揮重要作用，應用在數據中心的硅基收發模塊已經達到總模塊的半數以上。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)信息社會結構示意圖;(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 集成優勢，于汽車雷達、醫療探測、環境監測等多領域大顯身手。激光雷達芯片正向著規模化與集成化方向發展，Michael R. Watts團隊 9216 通道大規模芯片[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設計與加工優勢可以規模化提供性能穩定的高質量、低成本的硅基傳感芯片來應對多樣的生物樣品。

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

　　SBO 平臺光電計算系統強調光電計算和微電子計算的優勢互補，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勢強強聯合。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、帶寬優勢盡顯，遠超傳統微電子計算。Harish Bhaskaran 團隊光電內存計算架構，卷積運算精準高效[Nature Photonics 17.12 (2023): 1080-1088];戴瓊海團隊 “太極" 芯片大規模并行計算、能耗比出眾，為復雜任務處理與大型網絡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[圖片來中國激光

　　PART.5 硅基光電子面臨的挑戰

　　設計工具困境。芯片設計工具生態脆弱，器件、鏈路仿真與版圖工具孤立零散，數據交互梗阻重重，統一語言、規范格式匱乏，掣肘設計效率與協同創新，拖累SBO技術創新步伐，亟待構建完備的集成設計環境，激活創新潛能。

　　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衡泥沼，電、光工藝參數沖突頻現，無源性能退化如影隨形，復雜工藝致成本攀升、良率波動，產業推廣受阻，亟需創新工藝協同策略來化解矛盾、降低成本、提升良率。

　　量產一致性挑戰。SBO芯片制造敏感度高，量產中產品性能波動問題棘手，微觀結構偏差易引發性能“蝴蝶效應"，因此，構建系統監控機制與測試體系迫在眉睫，精準測控、實時反饋、智能調控，從而保障芯片性能穩定、質量可靠，護航產業規模化發展。

　　PART.6 總結與展望

　　SBO技術深度融合光電優勢，是后摩爾時代的核心技術，雖挑戰重重，但潛力巨大。未來，隨工藝精進、設計革新、量產難題攻克，SBO技術將深度影響信息產業格局，在高速通信、智能傳感、計算等核心領域“展露鋒芒"，為信息系統小型化、智能化注入磅礴動力，推動人類信息社會快速發展。

       參考文獻： 中國光學期刊網 

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