【资讯】新型硅基光电子 | 引导的前沿应用发展

　　随着信息技术的飞速发展，人类对数据传输和处理的需求越来越高，基于硅材料的微电子技术受到了物理极限的约束、摩尔定律面临失效的危机。在此情况下，硅基光电子集成器件凭借其小尺寸、高集成度、低功耗、与成熟的CMOS工艺相兼容等优势，成为了推动“后摩尔时代"技术发展的方向之一。基于硅材料的光电效应和光学性质，硅基光电子芯片可以实现对光信号的调制、检测、放大、传输及处理，目前主流的硅基光电子器件包括：发光器件、调制器件、探测器件等，并且硅基光电子集成器件还具有高带宽、高速率、高集成度、低成本等优势，因此在高速通信、高性能计算、数据中心等领域中都具有广阔的应用前景。

　　新型硅基激光雷达，智能驾驶的守护者

　　随着小米Su7、华为问界等新能源车的不断发展，人们对自动驾驶、三维成像等技术的需求也不断增加。激光雷达作为车载应用，主要通过发射激光束来识别和探测车辆周围物体的方位和速度。传统的激光雷达主要采用的具有复杂结构、易磨损、易被干扰等缺点的机械转向探测方式，已经无法满足驾驶人员的需求，因此，为了实现更高分辨率、更精确的测量，硅基激光器等光电子芯片吸引了学术界和产业界的广泛关注。在激光雷达系统中，硅基光电子芯片的重要性主要体现在以下几个方面

　　(1)硅基光电子芯片可以实现微型化的波导和分束器，用于将激光束分束成多个方向并进行定向发射，这些波导和分束器的微型化和集成化可以大大减小激光雷达系统的体积和重量，提高其在车辆、机器人和无人机等移动设备上的应用性;(2)通过在芯片上集成光探测器，可以实现激光束反射信号的接收，并将其转换为电信号，从而大大简化系统结构及减小成本、功耗，进而提高系统的稳定性和可靠性;(3)硅基光电子芯片的光调制器可以用于调制激光束的相位和强度，实现激光雷达系统中的信号调制和解调，这些光调制器的微型化和集成化可以提高系统的性能和灵活性，并支持多种工作模式和应用场景;(4)硅基光电子芯片还可以集成光滤波器，实现在选择特定波长激光信号的同时滤除其他波长的干扰信号，从而实现更精确的目标识别和跟踪。

　　图1 基于硅基片上激光雷达的全视野成像示意图

　　硅光新时代的互联与通信

　　光通信是硅基光电子芯片的主战场之一。硅基光子芯片的发展，高速数据传输的革命性进步，通过与微电子电路进行集成，还可以在减少芯片上的器件数目、提高互连密度的同时，实现超高速、超高带宽、低延时的片上互连。针对片上光信号处理的重要需求，浙江大学戴道锌教授团队提出了一种可编程硅光信号处理器，能够实现可调延时、微波光子波束形成、任意光信号滤波和任意波形产生等多种功能。基于硅基光子芯片在通信与互联领域的蓝海市场，近年来光迅、华为、赛勒光电等企业也不断在硅光市场开展产业布局，硅光互连芯片的研究进展在近年来取得了显著的突破：2021年，中国信科集团联合国家信息光电子创新中心、鹏城实验室等机构，完成了1.6 Tb/s硅基光收芯片的联合研制和功能验证，该芯片在单颗硅基光发射芯片和硅基光接收芯片上集成了8个通道的高速电光调制器和高速光电探测器，每个通道可实现200 Gb/s PAM4高速信号的光电和电光转换，该成果标志着中国硅光芯片技术实现了Tb/s级的一次跨越;2023年，NVIDIA开发用于实现高通量、高能效的光学NVLink连接的硅基光电子技术。在未来，随着硅基光电子技术在带宽、速率、抗干扰及超大规模集成等方面优势的进一步增强，其应用将推动通信、数据中心的进一步发展。

　　图2 传统光模块与硅光模块工作原理

　　硅光芯片与生物传感

　　生物传感器能够将蛋白质、核酸等结构信息转变成声、光、电等信号，因此在药物研发、生物诊断等领域具有广阔的应用前景。基于硅光技术高灵敏度、高集成度和低损耗的特点，硅基光电子芯片成为了生物传感领域中快速发展的研究方向之一。硅基光电子芯片可以集成成百上千个微型传感器单元，形成传感器阵列，用于同时检测多种生物分子，这种传感器阵列可以实现高通量、高效率的生物分子检测，加快分析速度，降低成本，提高检测灵敏度和准确性。通过在芯片上集成光学探测器和波导，可以实现对细胞形态、大小、数量、位置和运动等信息的实时监测和成像，从而实现对细胞生物学过程的深入理解。根据传感原理的差异，可以将硅基生物传感器分为基于折射率变化、荧光技术及拉曼散射的生物传感。总的来说，硅基光电子集成器件在生物传感方面的应用有助于实现生物分子的高灵敏度、高选择性和实时检测，推动生物传感技术的发展和应用。

　　图3 用于生物传感的硅基光电子芯片

　　基于硅光集成芯片的光量子技术，

　　与传统光学芯片相比，由于硅基光量子芯片具有无源低损耗、多维易调控、便于大规模集成等优势，有望实现大规模量子信息的处理，因此有望促进量子计算、量子传感等领域的发展，例如：硅基光电子器件可以用于实现量子通信系统中的光子的发射、传输和检测;通过利用硅波导和光调制器等器件，可以实现量子态的控制和调制，从而实现量子通信中的量子密钥分发、量子隐形传态和量子纠缠分发等功能;通过在硅芯片上集成光子晶体波导和光调制器等器件，还可以实现光子的操控和量子比特之间的耦合，从而实现量子门操作和量子算法的执行。

　　图4 硅基光量子集成芯片的功能模块示意图

　　赋能AI，硅光计算芯片成就算力未来

　　近年来，随着大数据、云计算、图像识别和人工智能等技术的发展，对海量的数据进行实时快速处理产生了急切的需求。但随着晶体管的尺寸已逐渐接近摩尔定律极限，基于传统微电子芯片的计算机算力已经接近瓶颈。而硅光子芯片由于光子本身具有传输速度高、低功耗和可并行等优点，因此光子计算芯片是实现高性能计算的一个非常有潜力的方案。光计算是目前研究的热点方向，它与人工智能、脑科学和大数据等行业相关联，又与传统的半导体技术、光电集成技术紧密相关，但目前该领域的研究仍处于起步阶段。推动光计算的发展需要半导体材料技术、微电子技术、光子技术、封装技术和算法等多学科共同努力，加速软件与硬件的融合，从而使光计算可以应用于实际，解决目前所面临的算力瓶颈。

　　图5 面向量子计算与量子模拟的大规模硅基光量子芯片

　　总结与展望

　　硅基光电子集成器件作为一种重要的光电子技术，已经在数据中心、5G通信、生物医学和激光雷达等领域中得到了初步应用，但由于其在成本、功耗、良率等方面仍存在不足，并且光耦合、光功率、硅光波分复用器件集成等工艺方面也亟需提升，因此还需要针对硅基光电子集成器件开展进一步的研究。在未来，随着硅基光电子技术的不断革新，其在各个领域的应用也将会更加广泛和深入，并对推动科技创新和产业发展产生积极的影响。

       参考文献： 中国光学期刊网 

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