硅光子技术是微电子、光子集成的理想平台
来源 开源证券 思瀚整理    2024-06-03

硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料，利用现有 CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。

硅光子技术是利用硅和硅基衬底材料（如 SiGe/Si、SOI 等）作为光学介质，通过集成电路工艺来制造相应的光子器件和光电器件（包括硅基发光器件、调制器、探测器、光波导器件等），这些器件用于对光子的激发、处理和操纵，实现其在光通信、光互连、光计算等多个领域的应用。

硅光子技术是实现光子和微电子集成的理想平台。在当前“电算光传”的信息社会下，微电子/光电子其技术瓶颈不断凸显，硅基光电子具有和成熟的 CMOS 微电子工艺兼容的优势，有望成为实现光电子和微电子集成的最佳方案。

从需求发展来看，光电子和微电子集成源动力来自于微电子/光电子各自的发展需求，微电子方面，深亚微米下电互连面临严重的延时和功耗瓶颈，需要引入光电子利用光互连解决电互连的问题；光电子方面，面对信息流量迅速增加下的提速降本需求，需要借助成熟的

从技术特点来看，硅光子技术结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，以及基于硅材料的本身特性，硅光子技术主要具有高集成度、高速率、低成本等优点：

（1）高速率：硅的禁带宽度为 1.12eV，对应的光波长为 1.1μm，硅对于 1.1-1.6μm 的通信波段（典型波长 1.31μm/1.55μm）是近乎无损透明，具有优异的波导传输特性，可以很好地兼容目前的光通信技术标准，同时利用光通路取代芯片间的数据电路，在实现大容量光互连的同时也保持着低能耗和低散热，高效地解决网络拥堵和延迟等问题；

（2）高集成度：硅基材料具有高折射率和高光学限制能力，可将光波导弯曲半径缩减至 5μm 以下，基于成熟的 CMOS 工艺制作光器件，可实现硅光芯片更高的集成度及更多的嵌入式功能，其集成密度相比于传统的硅基二氧化硅（PLC）和磷化铟（InP）光芯片有望提高百倍以上，同时光芯片尺寸缩减也随之带来有低成本、低功耗、小型化等独特优势；

（3）低成本：硅材料作为世界上储量第二的材料，硅基材料成本较低且可以大尺寸制造，硅光芯片的生产制造也基于 CMOS 和 BiCMOS 等集成电路工艺线，可以实现规模化量产，在芯片成本有较大的下降潜力。

从发展历程来看，硅光子技术从最初在 1969 年由著名的贝尔实验室提出以来，经历了 3 个主要的发展阶段：

1969-2000 年的原理探索阶段，受限于工艺和技术的限制，硅光子技术的发展只集中在硅基有源器件和无源器件的实验室研究阶段；

2000-2008 年的技术突破阶段，以 Intel 为首的企业与学术机构就开始重点发展硅芯片光学信号传输技术，期间 2004 年 Interl 研制出第一款 1Gb/s 速率的硅光调制器，人们看到硅芯片中“光进铜退”的可能性，其他各类硅光器件如探测器、激光器、无源器件等也陆续获得突破；

2008-2014 年的集成应用阶段，以 Luxtera、Intel、和 IBM 为代表的公司不断推出商用级硅光子集成产品，如 Intel、Luxtera 的硅光光模块，Acacia 的相干光模块等；

目前，硅光子技术已逐渐进入应用拓展阶段：硅光子集成平台被广泛应用于多领域，比如在通信领域，已基本建立了面向数据中心、光纤传输、5G 承载网、光接入等市场的一系列硅光产品解决方案；

在新型微处理器技术上，DARPA、Intel、Ayar Labs 等国外研发机构正在致力于实现硅光芯片与高性能微电子芯片的融合，并已验证了集成硅光 I/O 芯片的新一代 FPGA、CPU 和 ASIC 芯片；在光计算领域，Lightmatter、Lightelligence 等公司积极推进应用于 AI 神经网络运算的硅光芯片；研究人员已研制出集成度最复杂的硅光量子芯片；在智能驾驶领域，硅光固态激光雷达或成下一代激光雷达的重要革新。

硅光子技术由分组硅光向着可编程芯片方向发展。从技术演进来看，硅光子技术发展可分为四个阶段，由于受限于硅材料本身的光电性能，仍存在无法高密度集成光源、集成低损耗高速光电调制器等问题，目前硅光子技术主要集中在第二阶段—硅光子集成阶段：

第一阶段，分组硅光：硅基器件逐步取代分立元器件，即将硅做出光通信底层器件，并实现工艺标准化；

第二阶段，硅光子集成：集成技术从混合集成向单片集成演进，实现部分集成，即通过不同器件的组合集成不同的芯片；

第三阶段，全光电融合：光电全集成化，实现合封的复杂功能；第四阶段，可编程芯片：器件分解为多个硅单元排列组合，局针化表征类；该种通过编程来改变内部结构的芯片，可自定义全功能。

从工艺角度来看，硅光子集成分为单片集成和混合集成，目前混合集成使用较广，但是单片集成性能更优，是未来发展趋势。

单片集成：将光子学组件直接集成到同一块硅芯片上，包括光源、光调制器、波导、耦合器等光学元件，从而形成一个紧凑的光学电路。单片集成方式的优势在于可以减小尺寸、提高集成度、降低制造成本。

混合集成：将硅芯片与其他材料的光学组件结合在一起，即将电子器件（硅锗、CMOS、射频等）、光子器件（激光/探测器、光开关、调制解调器等）、光波导回路集成在一个硅芯片上。其中，硅芯片主要负责电子部分的处理，而其他材料的光学元件则负责光的生成和调制。

混合集成的优势在于可以利用硅芯片的电子器件和其他材料的优异光学特性，实现更高效的光通信和传感应用。目前，硅光子技术主要采用基于 SOI（绝缘衬底上硅）衬底的制造平台，已能实现探测器与调制器的单片集成。