英特爾、臺(tái)積電搶占的硬科技賽道——硅光芯片的優(yōu)勢(shì)和工作原理
信息技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)包括兩個(gè)方面。首先是希望信息交互可以“越快越好”，即高速率、高密度、大帶寬和多通道，因此發(fā)展了光通信技術(shù)。另一個(gè)趨勢(shì)是希望計(jì)算機(jī)等電子器件可以“越小越好”，即實(shí)現(xiàn)小尺寸、多功能、低能耗和低成本，因此發(fā)展了芯片技術(shù)。
現(xiàn)階段，這兩個(gè)技術(shù)均遇到了發(fā)展的瓶頸：一方面，以硅為基礎(chǔ)的微電子技術(shù)由于物理極限的限制，將很難繼續(xù)遵循摩爾定律來發(fā)展，集成電路芯片的發(fā)展趨向飽和；另一方面，由于人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，信息高速公路體系中各層分支線路上的數(shù)據(jù)流量也大大增加。兩者共同催生出新的方向——硅基光電子芯片技術(shù)。
硅基光電子概念形成于20世紀(jì)60年代，后由Intel等企業(yè)在傳輸領(lǐng)域拓展至商用。目前，硅基光電子芯片技術(shù)已是Intel、IBM、臺(tái)積電等紛紛搶占的硬科技賽道。
北京大學(xué)周治平教授在《硅基光電子學(xué)》一書對(duì)于硅基光電子學(xué)的定義：硅基光電子學(xué)是探討微納米量級(jí)光子、電子及光電子器件在不同材料體系中的工作原理，并使用與硅基集成電路工藝兼容的技術(shù)和方法，將它們異質(zhì)集成在同一硅襯底上形成一個(gè)完整的具有綜合功能的新型大規(guī)模光電集成芯片的一門科學(xué)。
硅光技術(shù)是什么？
硅光子技術(shù)，一般被簡稱為硅光，是指以硅基材料為襯底，結(jié)合CMOS工藝，在硅晶圓上集成多個(gè)原先使用III-V族材料的光器件，并最終實(shí)現(xiàn)光信號(hào)處理與電信號(hào)處理的深度融合的技術(shù)。
什么是硅光芯片呢？
硅基光電子芯片包含了電子芯片、光子芯片以及光電子芯片的功能，注重光子和電子的相互作用，特別強(qiáng)調(diào)大規(guī)模異質(zhì)集成。硅基光電子芯片擁有光的極高帶寬、超高速率和高抗干擾特性以及微電子技術(shù)在大規(guī)模集成、低能耗、低成本等方面的優(yōu)勢(shì)。
硅光芯片具有集成度高、成本下降潛力大、高帶寬和高速傳輸、波導(dǎo)傳輸性能優(yōu)異等優(yōu)勢(shì)。
集成度高：硅光芯片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，硅光芯片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。
成本下降潛力大：傳統(tǒng)的GaAs/InP襯底因晶圓材料生長受限，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III-V族晶圓，芯片的成本支出將進(jìn)一步提升；與III-V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。
高帶寬與高速傳輸：由于光信號(hào)具有更高的頻率和更寬的頻譜，硅光芯片可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)電子芯片更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，適用于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等需要大量高速數(shù)據(jù)交換的場(chǎng)景。
低能耗、電磁兼容性強(qiáng)：在同等信息傳輸量的情況下，光子的能量消耗通常低于電子，因此硅基光電子芯片在某些應(yīng)用中能顯著降低能耗；光通信不受電磁干擾的影響，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
（傳統(tǒng)分立器件方案對(duì)比硅光集成芯片方案）
波導(dǎo)傳輸性能優(yōu)異：硅的禁帶寬度為1.12eV，對(duì)應(yīng)的光波長為1.1μm。因此，硅對(duì)于1.1-1.6μm的通信波段（典型波長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。
硅光子核心器件主要包括以硅半導(dǎo)體材料的光有源及無源器件，包括硅基激光器（負(fù)責(zé)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)）、硅基光探測(cè)器（負(fù)責(zé)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)）、硅基光調(diào)制器（負(fù)責(zé)將光信號(hào)帶寬提升）、平面波導(dǎo)（負(fù)責(zé)光信號(hào)在硅基材料上傳輸）、光柵耦合器（負(fù)責(zé)與對(duì)外連接的光纖對(duì)準(zhǔn)降低插損）等。
一般來說，硅光芯片主要集成了調(diào)制器、探測(cè)器、光波導(dǎo)、波分復(fù)用、分光器等硅光子核心部件。值得注意的是，硅光芯片的內(nèi)涵并不是絕對(duì)的，各部件的可集成性依技術(shù)方案差異而存有不同。
（硅光集成電路簡圖）
硅光芯片主要由四個(gè)關(guān)鍵元器件組成，工作原理及功能如下：
光源：生產(chǎn)光信號(hào)的器具，通常采用激光器或LED。在硅光芯片上，通過在硅襯底上摻雜特定元素形成量子阱結(jié)構(gòu)或使用III-V族化合物（如磷化銦InP）作為增益介質(zhì)，當(dāng)電流通過時(shí)，注入的電能可以激發(fā)這些材料產(chǎn)生光子，從而形成激光束。
光波導(dǎo)：光波導(dǎo)是硅光芯片的支柱，用于將光源產(chǎn)生的光束沿著特定路徑導(dǎo)向到需要的位置，并在芯片內(nèi)部傳輸信息。光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)對(duì)于有效限制和操縱光、實(shí)現(xiàn)芯片上的高效數(shù)據(jù)傳輸非常重要。其核心原理是將光限制在由低折射率材料包圍的高折射率區(qū)域（波導(dǎo)）內(nèi)。
調(diào)制器：光調(diào)制器是改變光信號(hào)強(qiáng)度、頻率或相位的關(guān)鍵元件。例如，電吸收型調(diào)制器可以通過改變施加在其上的電壓大小，調(diào)節(jié)通過調(diào)制器的光波的能量狀態(tài)，以此編碼電信號(hào)為光信號(hào)。
探測(cè)器：探測(cè)器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。當(dāng)光照射到硅或其他材料制成的光電二極管時(shí)，光子被吸收并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，進(jìn)而形成可測(cè)量的電流，完成光電轉(zhuǎn)換過程。
（分立元件光模塊與硅光單片集成芯片對(duì)比）
由于篇幅受限，本次硅光子芯片就先介紹這么多，想了解更多化合物半導(dǎo)體行業(yè)動(dòng)態(tài)，請(qǐng)您持續(xù)關(guān)注我們。
部分參考資料：
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[4]《硅光子芯片工藝與設(shè)計(jì)的發(fā)展與挑戰(zhàn)》（郭進(jìn)、馮俊波、曹國威）
[5]《硅光：“超越摩爾”新路徑，厚積薄發(fā)大未來》（華西證券通信團(tuán)隊(duì)）
[6]《硅光技術(shù)產(chǎn)業(yè)深度研究：芯片出光，硅光技術(shù)開啟高速與高集成度傳輸時(shí)代》（國泰君安證券）
[7]《中國光芯片行業(yè)研究報(bào)告》（2022年）