硅光子技術(shù)是基于硅材料，利用現(xiàn)有CMOS工藝進(jìn)行光器件開發(fā)與集成的新一代通信技術(shù)。硅光子技術(shù)的核心理念是“以光代電”，將光學(xué)器件與電子元件整合到一個(gè)獨(dú)立的微芯片中，利用激光作為信息傳導(dǎo)介質(zhì)，提升芯片間的連接速度。隨著流量的持續(xù)爆發(fā)，芯片層面的“光進(jìn)銅退”將是大勢(shì)所趨，硅光子技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用化。
硅光時(shí)代臨近，芯片集成度有望大幅提升
近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等應(yīng)用的快速發(fā)展，全球數(shù)據(jù)流量呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，對(duì)傳輸?shù)男枨笠仓饾u提升。目前，傳統(tǒng)光模塊主要利用III－V族半導(dǎo)體芯片、電路芯片、光學(xué)組件等器件封裝而成，本質(zhì)上屬于“電互聯(lián)”范疇。隨著晶體管加工尺寸逐漸縮小，電互聯(lián)將逐漸面臨傳輸瓶頸。目前，對(duì)于傳統(tǒng)的三五族半導(dǎo)體光芯片，25Gbps已接近傳輸速率的瓶頸，進(jìn)一步提升速率需要采用PAM4等技術(shù)。隨著高速光模塊在數(shù)據(jù)中心的大量運(yùn)用，傳統(tǒng)III－V族半導(dǎo)體的光芯片將面臨并行傳輸、三五族磊晶成本高昂等問題。在此背景下，硅光子技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為III－V族半導(dǎo)體之外的一大選擇。
在硅光子技術(shù)中，芯片的概念由原先的激光器芯片延伸至集成芯片。從結(jié)構(gòu)上看，硅光芯片包括光源、調(diào)制器、波導(dǎo)、探測(cè)器等有源芯片及源芯片。硅光芯片將多個(gè)光器件集成在同一硅基襯底上，一改以往器件分立的局面，芯片集中度大幅提升。硅光子技術(shù)主要有以下三大優(yōu)勢(shì)：
（1）集成度高。硅光子技術(shù)以硅作為集成芯片的襯底。硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅CMOS工藝制作光器件。與傳統(tǒng)方案相比，硅光子技術(shù)具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的集成度。
（2）成本下降潛力大。在光器件和光模塊中，光芯片的成本占比較高。傳統(tǒng)的GaAs／InP襯底因晶圓材料生長(zhǎng)受限，生產(chǎn)成本較高。近年來，隨著傳輸速率的進(jìn)一步提升，需要更大的三五族晶圓，芯片的成本支出將進(jìn)一步提升。與三五族半導(dǎo)體相比，硅基材料成本較低且可以大尺寸制造，芯片成本得以大幅降低。
（3）波導(dǎo)傳輸性能優(yōu)異。硅的禁帶寬度為1．12eV，對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)為1．1μm。因此，硅對(duì)于1．1—1．6μm的通信波段（典型波長(zhǎng)1．31μm／1．55μm）是透明的，具有優(yōu)異的波導(dǎo)傳輸特性。此外，硅的折射率高達(dá)3．42，與二氧化硅可形成較大的折射率差，確保硅波導(dǎo)可以具有較小的波導(dǎo)彎曲半徑。
硅光技術(shù)持續(xù)發(fā)展，技術(shù)上不斷取得突破
從發(fā)展歷程看，硅光集成技術(shù)將遵循由光子集成→光電集成的發(fā)展過程，待技術(shù)成熟后指向芯片內(nèi)部光互聯(lián)。目前，通信領(lǐng)域的硅光模塊屬于光子集成范疇，從制造工藝看可分為兩類：?jiǎn)纹膳c混合集成。
單片集成主要利用傳統(tǒng)的CMOS工藝，在硅晶圓上集成多個(gè)光器件。不過，硅的發(fā)光效率較低，無法作為光源，成為單片集成的瓶頸。一個(gè)折中的方法是：無源光器件在硅襯底上陣列化，光源采用III－V族半導(dǎo)體，混合集成技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。混合集成需要將III－V族半導(dǎo)體激光器鍵合在硅襯底上。鍵合技術(shù)包括利用DSV－BCB紫外膠鍵合，以及運(yùn)用低溫氧分子等離子鍵合等。
在硅光集成領(lǐng)域，Intel是耕耘最早、技術(shù)最為完善的廠商。其中，2004年至2010年是Intel的技術(shù)突破期，2010年至2016年是商用準(zhǔn)備期。大量的研發(fā)費(fèi)用投入為2016年的硅光模塊商用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對(duì)于Intel而言，未來計(jì)算機(jī)芯片的內(nèi)部光互聯(lián)是其長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)，在通信領(lǐng)域的硅光模塊商用可謂初次試水。即便如此，Intel的硅光模塊對(duì)于傳統(tǒng)三五族半導(dǎo)體光模塊依舊形成了不小的沖擊。
目前，已量產(chǎn)的硅光模塊，基于硅襯底的混合集成是主要方式。主要器件包括：在硅襯底表面集成激光器（III－V族半導(dǎo)體，以InP為主）、調(diào)制器（鈮酸鋰LiNbO3，具有優(yōu)異的電光效應(yīng)）、光探測(cè)器（Si中摻Ge）、硅波導(dǎo)（Si對(duì)于1．31μm／1．55μm通信波段透明）、波分復(fù)用及解復(fù)用器、耦合器等。
硅光子技術(shù)取得了高速發(fā)展，技術(shù)持續(xù)突破。不過，硅光子技術(shù)仍面臨以下兩大問題：
1、芯片良率低，成本優(yōu)勢(shì)不明顯：目前，傳統(tǒng)三五族半導(dǎo)體芯片的良率在90％以上，而硅光芯片需要將III－V族半導(dǎo)體鍵合在硅基襯底上。由于硅光集成的工藝尚未成熟，在激光耦合等步驟上的良率較低，導(dǎo)致硅光模塊成本難以進(jìn)一步提升。
2、硅波導(dǎo)與光纖的耦合效率低，性能優(yōu)勢(shì)不明顯。硅基光波導(dǎo)的尺寸在0．4—0．5μm量級(jí)，遠(yuǎn)小于單模光纖尺寸（纖芯直徑約8μm—10μm）。尺寸上的差別將導(dǎo)致模場(chǎng)的失配，需要利用硅基波導(dǎo)光柵進(jìn)行耦合，在耦合過程中將產(chǎn)生損耗。