IBM CMOS Integrated Silicon Nanophotonics chip technology

　　光子產(chǎn)業(yè)（Photonics Industry）是推動(dòng)21 世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè),。光子學(xué)是關(guān)于光的科學(xué)和技術(shù),，特別是光的產(chǎn)生,、指引,、操縱,、增強(qiáng)和探測(cè),。從通信到衛(wèi)生保健，從生產(chǎn)材料加工到照明設(shè)備和太陽(yáng)能光伏,，到日常使用的DVD播放器和手機(jī),，光子技術(shù)已經(jīng)滲透到生產(chǎn)生活的方方面面,。谷歌,、通用汽車等信息通訊技術(shù),、制造業(yè)企業(yè)，對(duì)光學(xué)與光子技術(shù)十分依賴,。

　　目前,，光子芯片技術(shù)已經(jīng)由硅光子集成技術(shù)向納米光子學(xué)范疇邁進(jìn),。在材料方面,，石墨烯等先進(jìn)材料的研究也有望將光子芯片技術(shù)的應(yīng)用推向新的高度。隨著光子技術(shù)的不斷發(fā)展,，光子技術(shù)將幫助突破計(jì)算機(jī)電子技術(shù)的局限,；通過(guò)大幅增加數(shù)據(jù)容量和提高數(shù)據(jù)傳輸速度，它將推動(dòng)通信行業(yè)進(jìn)入太比特時(shí)代,，同時(shí)降低碳足跡和單位成本,。

　　業(yè)界普遍認(rèn)為，光子學(xué)具有類似于電子學(xué)的發(fā)展模式,，都是由光子器件向光子集成,，光子系統(tǒng)方向發(fā)展。

　　大規(guī)模集成電路已經(jīng)走了近五十年的歷程,。其主流技術(shù)CMOS的集成度每18個(gè)月翻一番（摩爾定律）,。集成度的提高使芯片的功能成百上千倍的增強(qiáng)。現(xiàn)代科技可以說(shuō)是以此為基礎(chǔ)的,。而集成光路技術(shù)的發(fā)展會(huì)帶來(lái)同樣的效應(yīng),。集成后的光器件除了功能上的益處外,，其在總體成本上的益處比起集成電路來(lái)更勝一籌,。由于單立光器件的封裝成本要占到器件成本的2/3，集成可以大規(guī)模降低單立光器件的數(shù)量,，從而降低總體的成本,。同時(shí)，封裝界面的減少也會(huì)是集成器件的性能成倍的提高,。

　　目前比較經(jīng)濟(jì)的發(fā)展思路是將集成光子工業(yè)基于微電子工業(yè)之上,，使用硅晶作為集成光學(xué)的制造平臺(tái)。這將使全球歷時(shí)五十年,、投入數(shù)千億美元打造的微電子芯片制造基礎(chǔ)設(shè)施可以順理成章地進(jìn)入集成光器件市場(chǎng),，將成熟、發(fā)達(dá)的半導(dǎo)體集成電路工藝應(yīng)用到集成光器件上來(lái),，一下子將集成光學(xué)工業(yè)的水平提高,。這正是目前發(fā)展良好的硅光子技術(shù)的發(fā)展思路。

　　Computercom DrivingDevelopment and Large-Scale Deployment of Parallel Optical Transceivers

　　雖然硅光子還面臨很多技術(shù)瓶頸,，但在整個(gè)產(chǎn)業(yè)界的向心力下,，正在被一個(gè)一個(gè)的克服，產(chǎn)業(yè)界對(duì)硅光子大規(guī)模商用也抱有極大的信心,。尤其是數(shù)據(jù)中心的短距離應(yīng)用,，讓硅光子找到了最合適的用武之地。數(shù)據(jù)中心的巨大潛力,，以及英特爾等廠商的大力推動(dòng),，促使硅光子的研發(fā)進(jìn)程進(jìn)一步加速。目前,，硅光子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入集成應(yīng)用階段,。

　　根據(jù)Yole Développement在2014年針對(duì)硅光子產(chǎn)業(yè)的報(bào)告,，硅光子的產(chǎn)業(yè)鏈與電子集成電路的產(chǎn)業(yè)鏈相似，上游主要包括晶圓,、制造設(shè)備和原材料供應(yīng)商,，中游則是負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、制造和封裝的芯片公司,，下游則主要分為光互連公司,、服務(wù)器公司和谷歌、亞馬遜,、微軟等最終用戶公司,。Yole Développement認(rèn)為，最終用戶公司是硅光子技術(shù)在數(shù)據(jù)中心方面研發(fā)的主要驅(qū)動(dòng)力,。

　　硅光子技術(shù)的應(yīng)用挑戰(zhàn)主要來(lái)自技術(shù)方面,。激光光源的集成便是一個(gè)主要技術(shù)挑戰(zhàn)，對(duì)此,，銻化銦芯片上的激光芯片后端處理或?qū)⑹且粋€(gè)值得關(guān)注的方法,。功耗問(wèn)題也很重要。目前的功耗水平大約在10pJ/bit,，2025年的目標(biāo)是要將功耗降低到200fJ/ bit以下,。此外，產(chǎn)業(yè)界也需要從并行光纖發(fā)展至波分復(fù)用技術(shù)（wavelength division multiplexing,，WDM）,，大多數(shù)廠商都在其產(chǎn)品路線圖中規(guī)劃了波分復(fù)用技術(shù)。

　　封裝也是目前的主要技術(shù)障礙,，約占最終收發(fā)器產(chǎn)品成本的80~90%,，主要由于光學(xué)校準(zhǔn)要求非常嚴(yán)格，并且增加了組裝所需要的時(shí)間?，F(xiàn)在,，MEMS技術(shù)或能幫助解決這些問(wèn)題，Kaiam公司和Luxtera公司在這方面做了很多開拓性的工作,，并建立了一些方案來(lái)提供低成本光子組裝試驗(yàn)產(chǎn)線,，尤其是在歐洲。這些技術(shù)挑戰(zhàn)都和成本相關(guān),，目標(biāo)是從目前的5美元/Gb,，到2020年降至0.1美元/Gb以下。

　　雖然硅光子技術(shù)供應(yīng)鏈正在逐步形成過(guò)程中,，落后主流的硅半導(dǎo)體供應(yīng)鏈好多年,。然而，縱觀全球，大舉的研發(fā)并購(gòu)和相關(guān)項(xiàng)目正在進(jìn)行,，為現(xiàn)有廠商做好知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局,。對(duì)于外包半導(dǎo)體組裝和測(cè)試廠商來(lái)說(shuō)，由于市場(chǎng)對(duì)低成本封裝解決方案的需求,，其機(jī)遇也必定會(huì)增加,。隨著晶圓消耗數(shù)量的增長(zhǎng),，將驅(qū)動(dòng)成本不斷降低,，硅光子代工廠必定會(huì)涌現(xiàn)出來(lái)。

　　圖表：未來(lái)硅光子集成發(fā)展路線圖

　?。╰op） Process integration roadmap versus photonic node

　?。╞ottom） schematic example of a future Si-photonics fully integrated SoC.

　　資料來(lái)源：Optoelectronics Research Centre， University of Southampton

　　目前國(guó)外的主流企業(yè)認(rèn)為,，硅光子下一款產(chǎn)品或許將會(huì)是基于硅光子技術(shù)的收發(fā)器,。除此之外，硅光子技術(shù)也將應(yīng)用于其它產(chǎn)品,，如光學(xué)生物傳感器,、氣體傳感器以及無(wú)人駕駛汽車應(yīng)用的激光雷達(dá)傳感器等。硅光子技術(shù)能夠通過(guò)光學(xué)功能集成和微型化進(jìn)一步獲得有價(jià)值的產(chǎn)品,，由此將推動(dòng)兩種特別有前景的應(yīng)用發(fā)展,，它們分別是無(wú)人駕駛汽車應(yīng)用的激光雷達(dá)傳感器和生化傳感器。

　　美國(guó)一直注重光子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,，早在1991年就成立了“美國(guó)光電子產(chǎn)業(yè)振興會(huì)”（OIDA）,，以引導(dǎo)資本和各方力量進(jìn)入光電子領(lǐng)域。2008~2013年,，DARPA開始資助“超高效納米光子芯片間通訊”項(xiàng)目（Ultraperformance Nanophotonic Intrachip Communications,，UNIC）。目標(biāo)是開發(fā)和CMOS兼容的光子技術(shù)用于高通量的通訊網(wǎng)絡(luò),。2014年,，美國(guó)建立了“國(guó)家光子計(jì)劃”產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，明確將支持發(fā)展光學(xué)與光子基礎(chǔ)研究與早期應(yīng)用研究計(jì)劃開發(fā),，支持4大研究領(lǐng)域及3個(gè)應(yīng)用能力技術(shù)開發(fā),，并提出了每一項(xiàng)可開發(fā)領(lǐng)域的機(jī)會(huì)和目標(biāo)。

　　美國(guó)以IBM,、Intel,、Luxtera公司為代表，近年來(lái)都在光互連技術(shù)研發(fā)方面取得了不錯(cuò)的成績(jī),。

　　IBM demos first fully integrated monolithic silicon photonics chip

　　日本發(fā)展光電子技術(shù)時(shí)間也較早,，1980年，為推動(dòng)光電子技術(shù)的發(fā)展，日本成立了光產(chǎn)業(yè)技術(shù)振興協(xié)會(huì)（OITDA）,。在產(chǎn)業(yè)化及市場(chǎng)方面,，由于光電領(lǐng)域的重大技術(shù)發(fā)明多產(chǎn)生于美國(guó)，因此,，早期日本政府主要是靠引進(jìn)外國(guó)技術(shù)進(jìn)行消化吸收,，后期則是自主創(chuàng)新過(guò)程。2010年,，日本開始實(shí)施尖端研究開發(fā)資助計(jì)劃（FIRST）,，該計(jì)劃由日本內(nèi)閣府提供支援。FIRST計(jì)劃是從600個(gè)提案中選出30個(gè)核心科研項(xiàng)目予以資助,，項(xiàng)目資助的總金額達(dá)到1000億日元,。光電子融合系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)（PECST）是FIRST計(jì)劃的一部分，以在2025年實(shí)現(xiàn)“片上數(shù)據(jù)中心”為目標(biāo),。

　　硅光子技術(shù)在歐洲各國(guó)也受到了廣泛的關(guān)注,。2010年前，為了發(fā)展光電子集成電路（OEIC）,，歐洲發(fā)起了幾大項(xiàng)目：PICMOS項(xiàng)目驗(yàn)證硅回路上InP鍵合器件的全光鏈路,；隨后發(fā)起的WADIMOS項(xiàng)目進(jìn)一步驗(yàn)證光網(wǎng)絡(luò)；英國(guó)硅光子學(xué)項(xiàng)目和歐洲HELIOS項(xiàng)目主要關(guān)注光電子集成的電信設(shè)備,，可以完成SOI光子回路的晶片鍵合或光子金屬層的低溫制造,。從2013開始， 歐盟的節(jié)能硅發(fā)射器使用III-V族半導(dǎo)體量子點(diǎn)和量子點(diǎn)材料的異質(zhì)集成（SEQUOIA）項(xiàng)目一直在開發(fā)具有較好的熱穩(wěn)定性,、高調(diào)制帶寬以及可能產(chǎn)生平面波分復(fù)用蜂窩的混合III-V激光器,。作為歐盟第七框架計(jì)劃（FP7）研發(fā)領(lǐng)域的具體目標(biāo)研究項(xiàng)目（STREP）之一，IRIS項(xiàng)目由愛(ài)立信與歐洲委員會(huì)聯(lián)合創(chuàng)建,，旨在利用硅光子技術(shù),，創(chuàng)建高容量和可重構(gòu)WDM光交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)在單個(gè)芯片上整體集成電路,。

　　2013年,，歐盟啟動(dòng)4年期針對(duì)硅光子技術(shù)的歐盟PLAT4M（針對(duì)制造的光字庫(kù)和技術(shù)）項(xiàng)目。該項(xiàng)目的目的是打造硅光子技術(shù)的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈,，聚集了以法國(guó)微電子和納米技術(shù)研究中心CEA-Leti為領(lǐng)導(dǎo)的包括德國(guó)Aifotec公司等在內(nèi)的15家歐盟企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)以及潛在用戶,。

　　在硅基光子學(xué)研究方面，我國(guó)較早開展了相關(guān)研究,，例如中科院半導(dǎo)體研究所的王啟明院士近年來(lái)專心致力于硅基光子學(xué)研究,，主持了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“硅基光電子學(xué)關(guān)鍵器件基礎(chǔ)研究”，在硅基發(fā)光器件的探索,、硅基非線性測(cè)試分析等方面取得了許多進(jìn)展,。但從整體來(lái)看，我國(guó)對(duì)硅基光子學(xué)的研究與世界相比還有一定差距。

　　我國(guó)硅光子產(chǎn)業(yè)也處于發(fā)展初期,，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較為薄弱,。目前，光迅科技,、華為,、海信都已經(jīng)在硅光子產(chǎn)業(yè)開展部署規(guī)劃，光迅科技已經(jīng)投入研發(fā)探索硅光集成項(xiàng)目的協(xié)同預(yù)研模式,，力爭(zhēng)打通硅光調(diào)制,、硅光集成等多個(gè)層面的合作關(guān)節(jié)，但是國(guó)內(nèi)整體技術(shù)發(fā)展距離發(fā)達(dá)國(guó)家仍有較大的差距,。中國(guó)在光電子器件制造裝備研發(fā)投入分散,，沒(méi)有建立硅基和 InP 基光電子體系化研發(fā)平臺(tái),。隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)綜合實(shí)力逐漸增強(qiáng),，以及國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)的扶持，國(guó)內(nèi)廠商需要不斷加快推進(jìn)硅光子項(xiàng)目,。

　　美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的Ritesh Agarwal教授在TED演講上對(duì)硅基納米光子技術(shù)的介紹,，聽(tīng)這位大牛的課一定很心酸，因?yàn)榭谝魧?shí)在在是太濃厚了,。,。。,。還好我們有字幕

　　Silicon Nanophotonics- turn off the dark - Ritesh Agarwal - TEDxPSU

　　高端裝備發(fā)展研究中心報(bào)告推介：《國(guó)內(nèi)外光子芯片技術(shù)研究及應(yīng)用前景調(diào)研報(bào)告》,，點(diǎn)擊“閱讀原文”查看詳細(xì)報(bào)告目錄，如需訂購(gòu)或定制相關(guān)課題報(bào)告請(qǐng)聯(lián)系我們,。010-52882700/57325805

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