【资讯】硅基光电子(SBO)芯片的概念与典型应用

　　　PART.2硅基光电子

　　电子、光子、光谱、半导体是信息技术核心要素。电子具有相互作用，是构建逻辑运算和存储器件的基石;光子互不干扰，可以高速低能耗地传输信息;光谱是传输资源，通过波分复用技术可以实现大容量信息传输;半导体是芯片材料，其特性为芯片赋予无限潜能，其中硅材料具有九成的市场。在半导体芯片中，光与电是不分家的，利用半导体材料制备的发光二极管与太阳能电池等器件，通过电子与光子的相互作用，可以实现电与光的相互转换。

　　所有光学现象都是光电相互作用的结果，光电相互作用是实现光的产生、传输、调制、探测和放大等所有功能过程的基础。光的本质是电磁波，光入射到介质波导中时，会与介质发生相互作用，光与介质相互作用的本质就是光电相互作用，这种相互作用会改变介质材料的折射率等性质，从而影响光的传播路径和其他特性，作用的结果体现在输出光场的强度、自旋、相位、偏振、频率等性质的变化上。这种相互作用体现了光电之间深层次的本征耦合关系。

　　从科学发展的过程来看，从电子学、光子学，然后光电子学，再到硅基光电子学，这是一个进阶发展的过程。与电子相比，光子没有静止质量，光子之间并不干扰，光传输系统可具有更大的带宽和更高的速率。然而，传统光电子元器件尺寸较大、制造成本高。在当今大数据时代，这一解决方案不再满足低能耗、低成本、高速的信息处理要求，光电子技术和微电子技术势必要在同一衬底上进行集成，这一需求推动了SBO的发展。

　　需要注意的是，硅光芯片和SBO芯片有所不同。硅光芯片的本质是将光电子器件硅片化，SBO芯片则是一个更广泛的概念，它不仅仅包含硅光芯片，还包括微电子芯片和光电子芯片。SBO芯片更强调光子与电子的相互作用与大规模集成，它是目前半导体芯片发展的高级阶段，是后摩尔时代的核心技术，也是大数据时代的基石。

　　图1 SBO芯片概念图

　　PART.3硅基光电子研究进展

　　根据是否需要外部电源驱动，可以将SBO器件分为无源器件与有源器件，其中仅通过波导结构实现的器件称为无源器件，有源器件则需要外加电场进行驱动。

　　波导是 SBO 芯片集成关键，通过采用多模波导、欧拉弯曲、亚波长光栅等波导结构设计以及波导制备的工艺优化可以很好地降低传输损耗与串扰，为大规模集成提供支持。利用光学传输的频谱、模式等资源，通过(解)复用技术可以让多路信号在同一个波导或光纤中并行传输。混合复用技术是提升传输信道数量的重要方案，通过对波导内色散的补偿可以进一步提升模式通道的支持数量。

　　高性能可集成的有源器件是实现大规模集成的重要条件。由于硅材料缺陷，片上电泵浦激光器方案是通过其他材料平台激光器异质集成实现的，如硅基嵌入式外延、离子切割加外延生长等方法;小体积可集成和大带宽高速率一直是电光调制器的发展趋势，通过结构创新、异质集成等方式使调制器性能在体积与带宽方面取得了较大突破;光电探测器性能飞跃，寄生参数工程与电场分布调控助力探测器带宽提升，为高速光电互连器件设计提供了方案。

　　SBO 芯片中集成光电子器件与 IC 组件意义深远，可大幅削减成本、丰富功能。先进工艺将数字、模拟、光电模块精妙集成在硅衬底上，隔离层工艺巧妙削减散射损耗，多晶硅厚度精准调控适配多种波导器件。45 nm SOI-CMOS 工艺电光集成芯片已被报道，可实现4 波长单波 64 Gbit/s 高速交换，彰显了SBO 芯片的集成优势。

　　PART.4 硅基光电子应用

　　信息社会互联互通需求剧增，硅基光电互连网络顺势崛起，在光收发模块与片上互连方案中均取得巨大突破。随着技术的发展，光模块已从100G、400G发展到目前正在量产的800G，以及下一代1.6T。SBO技术正凭借着其优势，在通信领域中发挥重要作用，应用在数据中心的硅基收发模块已经达到总模块的半数以上。硅基片上、片间互连被证明是满足高算力、高存取、低延迟需求的重要方案，目前英特尔、曦智科技等公司均推出了采用该方案的人工智能商用产品，它们带宽提升、能耗下降，为高算力芯片筑牢根基。

　　图2 (a)信息社会结构示意图;(b)硅基集成100 Gbit/s相干接收及传输芯片;(c)曦智科技光电混合芯片;(d)英特尔集成光电计算互连芯片

　　光电传感芯片借 SBO 集成优势，于汽车雷达、医疗探测、环境监测等多领域大显身手。激光雷达芯片正向着规模化与集成化方向发展，Michael R. Watts团队 9216 通道大规模芯片[IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits (VLSI Technology and Circuits) (pp. 1-2). IEEE]与周林杰团队多层 Si3N4-SOI 平台创新成果[Optical Fiber Communication Conference (pp. M4B-1)]，大幅提升探测精度、拓展探测范围，为智能驾驶、航空航天精准导航。硅基光电生物传感芯片具有高的灵敏度与检测极限。先进的光电集成器件和微系统设计与加工优势可以规模化提供性能稳定的高质量、低成本的硅基传感芯片来应对多样的生物样品。

　　图3 (a)9216通道激光雷达系统光学相控阵芯片;(b)(c)激光雷达 CMOS驱动芯片引脚示意图(d)基于多层Si3N4-SOI平台的激光雷达发射机芯片;(e)芯片封装图

　　SBO 平台光电计算系统强调光电计算和微电子计算的优势互补，光子高速传输、光电器件矩阵运算专长与微电子逻辑存储优势强强联合。马赫-曾德尔干涉仪与多模干涉耦合器各展其能，光电计算能效、时延、带宽优势尽显，远超传统微电子计算。Harish Bhaskaran 团队光电内存计算架构，卷积运算精准高效[Nature Photonics 17.12 (2023): 1080-1088];戴琼海团队 “太极" 芯片大规模并行计算、能耗比出众，为复杂任务处理与大型网络模型运算提供算力支持[Science 384.6692 (2024): 202-209]。

　　图4 硅基光电计算初级系统[图片来中国激光

　　PART.5 硅基光电子面临的挑战

　　设计工具困境。芯片设计工具生态脆弱，器件、链路仿真与版图工具孤立零散，数据交互梗阻重重，统一语言、规范格式匮乏，掣肘设计效率与协同创新，拖累SBO技术创新步伐，亟待构建完备的集成设计环境，激活创新潜能。

　　工艺抉择难题。主流SBO工艺平台利弊交织，片上光源、运放、探测集成深陷工艺权衡泥沼，电、光工艺参数冲突频现，无源性能退化如影随形，复杂工艺致成本攀升、良率波动，产业推广受阻，亟需创新工艺协同策略来化解矛盾、降低成本、提升良率。

　　量产一致性挑战。SBO芯片制造敏感度高，量产中产品性能波动问题棘手，微观结构偏差易引发性能“蝴蝶效应"，因此，构建系统监控机制与测试体系迫在眉睫，精准测控、实时反馈、智能调控，从而保障芯片性能稳定、质量可靠，护航产业规模化发展。

　　PART.6 总结与展望

　　SBO技术深度融合光电优势，是后摩尔时代的核心技术，虽挑战重重，但潜力巨大。未来，随工艺精进、设计革新、量产难题攻克，SBO技术将深度影响信息产业格局，在高速通信、智能传感、计算等核心领域“展露锋芒"，为信息系统小型化、智能化注入磅礴动力，推动人类信息社会快速发展。

       参考文献： 中国光学期刊网 

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