所謂硅光子集成技術(shù),，是以硅和硅基襯底材料（如 SiGe/Si,、SOI 等）作為光學介質(zhì)，通過互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容的集成電路工藝制造相應(yīng)的光子器件和光電器件（包括 硅基發(fā)光器件,、調(diào)制器,、探測器,、光波導器件等），并利用這些器件對光子進行發(fā)射,、傳輸,、檢測和處理，以實現(xiàn)其在光通信,、光互連,、光計算等領(lǐng)域中的實際應(yīng)用。硅光技術(shù)的核心理念是“以光代電”,，即采用激光束代替電子信號傳輸數(shù)據(jù),，將光學器件與電子元件整合至一個獨立的微芯片中。在硅片上用光取代傳統(tǒng)銅線作為信息傳導介質(zhì),，大大提升芯片之間的連接速度,。
硅光子芯片示意圖（source：IBM）
硅光子芯片結(jié)合了以微電子為代表的集成電路技術(shù)的超大規(guī)模、超高精度的特性和光子技術(shù)超高速率,、超低功耗的優(yōu)勢,。硅光子技術(shù)能夠解決400G通信時代需要面對的PAM4電調(diào)制方案帶來的巨大損耗和8*50G的QSFP-DD方案引發(fā)的器件數(shù)量增加與工作帶來溫度提升帶來的溫漂等挑戰(zhàn)性問題。
集成硅光子的時代將來臨
硅光子架構(gòu)主要由硅基激光器,、硅基光電集成芯片,、主動光學組件和光纖封裝完成，使用該技術(shù)的芯片中,，電流從計算核心流出,，到轉(zhuǎn)換模塊通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為光信號發(fā)射到電路板上鋪設(shè)的超細光纖，到另一塊芯片后再轉(zhuǎn)換為電信號,。
硅光子(SiP)實現(xiàn)廉價且規(guī)模生產(chǎn)的光連接,，從根本上改變光器件和模塊行業(yè)。未來三五年內(nèi),，這種情況還不會發(fā)生,，但硅光子技術(shù)可能在下個十年證明它是破壞性,。基于硅光子的光連接與電子ASIC,、光開關(guān),，或者(可能)新的量子計算設(shè)備的集成，將打開一個廣闊的創(chuàng)新前沿,。
預(yù)計到2022年,，硅光子光收發(fā)器市場將超20億美元，在全球光收發(fā)器市場中占比超20%,。從出貨量來看,，到2022年，硅光子光收發(fā)器在總光收發(fā)器出貨量中的占比將不到2.5%,。這些產(chǎn)品中的大多數(shù)將是高端產(chǎn)品--100G或以上速率,，因此定價也相對較高。
這似乎與許多業(yè)內(nèi)專家的期望相悖,，即希望硅光子能實現(xiàn)廉價且規(guī)模生產(chǎn)的光連接,，并且取代現(xiàn)有的InP和GaAs平臺,。然而,，如果硅光子的主要優(yōu)勢是集成，它將會是最適合需要大量集成的復雜高端設(shè)備的技術(shù),。未來十年或二十年,，分立、2X和4X集成產(chǎn)品(將2個或4個光功能組合到單個發(fā)射器或接收器上面)將持續(xù)依賴InP和GaAs技術(shù),。事實上美國在InP等光集成領(lǐng)域同樣取得了領(lǐng)先世界的成就,，由于硅并不能直接產(chǎn)生激光，相比InP材料存在一定弱勢,，其商用步伐也落在InP材料器件之后,。光集成一定是光通信器件的發(fā)展方向，很難說未來三五年各種光集成技術(shù)將取得怎樣的突破,，所以硅光子能在多大程度上成功替代還有待觀察,。
但是在支持者眼中，硅光子幾乎是光通信走向集成的唯一選擇,。一方面是因為在硅光子領(lǐng)域已經(jīng)走得很遠,，尤其是美國。另一方面,，許多硅光子學可以利用的新應(yīng)用,，包括高性能的電腦、電信,、感測器,、生命科學以及量子運算等高階應(yīng)用,。此外，還有兩項新興應(yīng)用對于硅光子而言也特別令人感興趣--瞄準自動駕駛車應(yīng)用的雷達(Lidar),，以及生物化學與化學感測器,，均可從整合的光學功能以及進一步的微型化中受益。而且硅光子晶片將會遠遠超越銅布線的能力,，而其解決方案可望部署于高速的訊號傳輸系統(tǒng)中,。
硅光子芯片的難題
硅光子早在1980年代的電子行業(yè)便處于成熟階段，但在光電子行業(yè)還有一些挑戰(zhàn)需要克服,，包括光源（低成本,、低速率<50Gb/s）、更小調(diào)制器（便宜,、更好的峰值驅(qū)動性能,、低功耗）、水平封裝及晶圓規(guī)?；瘻y試,、設(shè)計和軟件（光學軟件定制化和客制化）、成熟的供應(yīng)鏈及制造工藝,。
正如中國電子科技集團公司第三十八研究所的郭進,、馮俊波和曹國威在其題為《硅光子芯片工藝與設(shè)計的發(fā)展與挑戰(zhàn)》的論文中所指出，與微電子工藝相比,，硅光子在總體路徑,、版圖、工藝和材料方面都有其特殊性,，那么在工藝的開發(fā)過程中就必須考慮到溫度預(yù)算,、污染控制和關(guān)鍵工藝等問題。他們指出,，硅光子集成的工藝開發(fā)路線和目標比較明確,，困難之處在于如何做到與 CMOS 工藝的最大限度的兼容，從而充分利用先進的半導體設(shè)備和工藝,，同時需要關(guān)注個別工藝的特殊控制,。硅光子芯片的設(shè)計目前還未形成有效的系統(tǒng)性的方法，設(shè)計流程 沒有固化,，輔助設(shè)計工具不完善,，但基于 PDK 標準器件庫的設(shè)計方法正在逐步形成。如何進行多層次光電聯(lián)合仿真,，如何與集成電路設(shè)計一樣基于可重復 IP 進行復雜芯片的快速設(shè)計等問題是硅光子芯片從小規(guī)模設(shè)計走向大規(guī)模集成應(yīng)用的關(guān)鍵,。