硅基光子芯片以光子為信息傳輸媒介，具有高帶寬、高速率、高集成度，及與CMOS工藝兼容等優點，在多個領域具有應用價值。完整的硅基光子芯片上集成了光源、光波導、調制器、濾波器、探測器等器件，能夠實現光的產生、路由、調制、處理和檢測，這些功能一同形成了類似于電子集成電路的光學回路，從而實現對信息的傳輸、控制和處理。
據麥姆斯咨詢報道，浙江大學信息與電子工程學院楊建義教授與王曰海副研究員的研究團隊介紹了硅基光子芯片不同的材料平臺，并回顧其在光通信與光互連、光計算、生物傳感、片上激光雷達和光量子領域的研究進展和挑戰，最后進行了總結。相關研究內容以“硅基光子芯片研究進展與挑戰”為題發表在《半導體光電》期刊上。
硅基光子芯片的制造平臺
圖1是市場研究機構Yole對硅基光電子在不同應用場景的市場價值預測，2026年整個硅基光電子產業的市場規模預估達到11億美元。硅基光子芯片有多種制造平臺，下面對絕緣體上的硅（SOI）、SiN、Ⅲ-Ⅴ族（GaAs和InP）、硅襯底上鈮酸鋰薄膜這四種常用的制造平臺進行簡要介紹。
圖1 硅基光電子在不同應用場景的市場價值預測
SOI平臺
SOI僅由硅和二氧化硅構成，是硅基光子芯片的基本材料平臺。硅材料的透明窗口在1270～1650 nm，因此對光纖通信波段的光幾乎透明。為構成光學回路，需要在SOI平臺上集成各種無源和有源器件。
無源器件無需進行外加電學調制，如波導、微環諧振腔（MRR）、馬赫－曾德爾干涉儀（MZI）、光柵等，其中波導是基本器件。SOI矩形波導的芯層和包層分別為硅和二氧化硅，1550 nm波長處硅和二氧化硅的折射率分別為3.5和1.45左右，芯層和包層的大折射率差使得波導尺寸為幾百納米，極大地提高了光子芯片的集成度。有源器件包括激光器、調制器、探測器等。光源方面，硅是間接帶隙材料，發光效率低，不適合做光源，因此需要結合其他材料，如稀土摻雜光源、Ⅲ-Ⅴ族光源、Ⅳ族光源等。SOI調制器一般采用熱調制或載流子色散調制。圖2是2021年德國IHP發布的一款采用類似鰭式晶體管（FinFET）結構的三明治型鍺探測器，FinFET結構減少了鍺的本征區寬度和載流子的渡越時間，由此在1550 nm波長實現了高達265 GHz的3 dB帶寬，超過了此前所有的硅基集成探測器，其響應度為0.3 A/W，工作暗電流為100～200 nA。
圖2 FinFET結構鍺探測器的橫截面
此外，硅中也存在豐富的非線性效應，如四波混頻、克爾效應、載流子色散效應等，可以用于光頻梳、量子光學等領域。然而當泵浦功率較大時，硅中會發生雙光子吸收和自由載流子吸收效應，產生額外的非線性損耗。
SiN平臺
SiN在傳統微電子芯片的CMOS工藝中用于對單個晶體管進行隔離，也被用作某種場效應晶體管的柵極材料，可以作為SOI的互補平臺。SiN的透明窗口大，從400 nm的可見光波段到2350 nm的近紅外波段均有很低的傳輸損耗（＜1 dB/m），由此可以制成品質因數（Q）高達百萬的MRR。SiN波導的芯層和包層分別為SiN和SiO?，SiN材料中也具有良好的非線性效應，被廣泛用于片上非線性研究。近期發展出的SiN-on-SOI平臺結合了SiN和SOI兩種平臺的優勢，在非線性光學、濾波器、低損耗波導、集成光學陀螺等領域具有應用前景。
Ⅲ-Ⅴ族平臺
Ⅲ-Ⅴ族材料是早期光通信芯片的主要制造平臺。Ⅲ-Ⅴ化合物特別是砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等，天然是直接帶隙材料，其價帶頂和導帶底在波矢k空間中處于同一位置，電子和空穴的復合無需交換動量，具有很高的內量子效率，能夠高效發光，可以作為激光源的增益物質。在Si基上異質集成Ⅲ-Ⅴ族材料構成的混合激光源是硅基片上光源的實現方式之一，但異質集成增加了制造工藝的復雜度。圖3是2019年加州大學圣巴巴拉分校Jonathan Klamkin課題組實現的硅襯底上直接外延生長的1550 nm電泵浦量子阱激光器，室溫下最大連續輸出功率為18 mW。圖4是同年加州大學圣巴巴拉分校John E. Bowers課題組實現的硅襯底直接生長的量子點可調激光器，邊緣模式抑制比大于45 dB，室溫下波長可調范圍為16 nm，輸出功率大于2.7 mW。
圖3 量子阱激光器示意圖
圖4 量子點可調激光器示意圖
硅襯底上鈮酸鋰薄膜平臺
由于具有優異的電光性質、寬透明窗口、較高的折射率以及高度的穩定性，鈮酸鋰成為了一種極具優勢的用于構建集成光子器件的材料平臺。在目前的研究中，除了能夠在鈮酸鋰平臺上構建波導、諧振腔、周期型極化鈮酸鋰結構、光耦合結構等簡單單元外，還能制造高性能的電光調制器、非線性光學器件等集成器件。
傳統的鈮酸鋰波導采用鈦擴散或質子交換方法制造，然而使用這兩種方法制造的集成器件折射率對比度低，器件尺寸大，引起一系列器件性能降低。借鑒制造SOI晶片的智能切割技術，研究人員結合晶片鍵合技術和晶體離子切片（CIS）技術來制備單晶鈮酸鋰薄膜，使用這種方法能夠制造出高折射率對比度的鈮酸鋰波導以提升器件性能并縮小占用面積。鈮酸鋰波導的主要損耗來源于波導彎曲造成的輻射損耗，以及由表面粗糙度引起的散射損耗。
由于鈮酸鋰優異的電光性質，其集成器件如電光調制器、光頻率梳的帶寬高于集成的硅光器件。光柵耦合器的工作機制導致其帶寬較窄，不能很好地與一些集成LN器件兼容，因此絕緣體上鈮酸鋰（LNOI）平臺上更傾向于使用邊緣耦合或對接耦合將光耦合進/出芯片。集成LNOI平臺器件憑借其高帶寬、高數據傳輸速率、高消光比、低誤碼率、低功耗、低成本、小尺寸等優點而在光通信、數據中心、微波光子學、量子光學等應用上都具有獨特的優勢，在光計算與計量學領域也有著廣闊的應用前景。
硅基光子芯片的應用與挑戰
光通信與光互連
硅基光子芯片目前的主要應用場景依舊是光通信。硅基光子芯片具有集成度高、穩定性好、功耗低、相位調制特性好的優點，不僅適合長距離數據傳輸，也十分適合芯片內／間數據傳輸短距離、大容量的要求，是理想的光通信和光互連平臺。通過單片集成微電子電路，硅基光子芯片可以實現高速、高帶寬、低功耗、低延時的片上互連，同時減少芯片上的器件數目、提高互連密度，突破當前微電子芯片在數據互連方面的限制。
硅基光電收發芯片得到廣泛的研究和應用，在大容量數據通信中具有重要意義，近年來取得了許多進展。光通信也需要大規模的光交換陣列。數據中心的通信連接數量每2.5年翻一番，導致互連需求急劇增大，光學共封裝技術能夠滿足這一需求。此外，光子具有波長、偏振、模式、時間等多個維度資源可以利用，多維復用技術已經廣泛用在光纖通信中，結合多個維度的光子集成芯片有望解決光通信新的容量危機。2020年，上海交通大學蘇翼凱課題組采用基于級聯亞波長光柵（SWG）的反向耦合器結構，提出了一種波長－模式－偏振信號同時復用的片上多維多路復用/解復用方案，結構如圖5所示。
圖5 8通道多維復用結構示意圖
硅基光通信與光互連芯片目前面臨3個主要挑戰：（1）硅基片上光源。片上光源能夠提高光互連網絡的集成度和能量利用效率，而光源問題是整個硅基光電子技術的主要挑戰。目前相對成熟的硅基片上光源是基于Ⅲ-Ⅴ族材料，通過混合集成或異質集成的方式在硅基光子芯片上實現Ⅲ-Ⅴ族激光器。（2）載流子色散效應引起的調制帶寬受限。采用新的調制機制如鈮酸鋰有望解決這一問題。（3）大規模集成和可靠封裝。目前可以采用共封裝技術來提升大規模集成能力。
光計算
近年來人工智能、神經網絡、語音處理、圖像識別等技術蓬勃發展，大容量實時數據處理和分析場景催生了對算力的劇烈需求。目前的數據處理依賴于傳統的微電子芯片，盡管這種芯片加工制造技術成熟，但由于結構上的缺陷，其帶寬小、速度慢、功耗大。而基于硅基光子芯片的光學神經網絡和高性能計算有望解決這個問題。
人工神經網絡可以作為人工智能的數據處理工具，其計算集中在大量的矩陣運算上，而光學神經網絡在這些運算中幾乎不消耗能量。光學神經網絡主要包括前饋神經網絡（FNN）、循環神經網絡（RNN）和脈沖神經網絡（SNN），可以利用MZI或MRR來實現。
硅基光子芯片在計算和神經網絡上巨大的應用潛力，雖然它在計算速度、功耗等方面優于傳統的微電子芯片，但其在神經網絡非線性激活函數的全光實現、集成度、光子芯片的匹配算法等方面還存在不足。
生物傳感
生物傳感器是一種能夠將蛋白質、核酸等分子結構的信息轉換為聲、光、電等信號的設備，廣泛應用在生物診斷、藥物研發、生命科學等研究領域。硅基光學生物傳感器利用生物分子與光場的相互作用，使光的相位、強度、波長等參量發生變化，并利用光電轉換將光信號轉換為電信號，從而獲得生物分子的結構信息，具有靈敏度高、抗電磁干擾能力強、便于多功能集成、靈活性強的優點。根據傳感原理的不同，可以將硅基生物傳感器分為基于折射率變化的生物傳感、基于熒光技術的生物傳感和基于拉曼散射的生物傳感。
基于折射率變化的生物傳感利用了波導的倏逝波，倏逝波與待測溶液的相互作用會改變包層的折射率，進而改變波導內光波的有效折射率和相位，生物信息就存在于光波的相位中，可以利用MZI、MRR、以及布拉格光柵等結構來提取。以MZI和MRR為例來介紹這種生物傳感的原理。MZI是一種干涉型生物傳感器，工作時一個臂與溶液相互作用，兩臂的相位差隨待測溶液而變化，通過檢測輸出端兩臂干涉形成的透射譜就可以得到待測物質的信息。
激光雷達
激光雷達是一種通過發射激光束來探測目標的方位、速度的技術，在自動駕駛、三維成像等領域具有重要應用。傳統激光雷達采用機械轉向的方式，存在結構復雜、易磨損、易受溫度和振動等影響的缺點。而硅基片上激光雷達采用固態光相控陣（OPA），可以克服這些問題。OPA是硅基片上激光雷達的重要組成部分，負責探測信號的產生和發射，由激光源、分束器、相移器和發射器四個部分構成，可用在自由空間通信、探測、成像、生物傳感等領域。OPA的衡量指標主要包括視場范圍（FOV）、波束寬度、旁瓣抑制、調制速度、功耗等。其中FOV確定了波束形成和轉向的范圍，波束寬度衡量了OPA傳輸點或接收點的大小。
圖6 1D OPA和2D OPA示意圖
光量子
光量子芯片利用波導來引導光子，可提供具有核心功能的相位穩定的量子回路，包括量子態的產生、操控和單光子檢測。相比于傳統的桌面光學，光量子芯片利用硅基光子平臺無源低損耗、多維易調控的器件庫，便于大規模集成，有望進行具有數百或數千個光子的大規模量子信息處理，可以快速推進光量子技術的實用化。近幾年光量子芯片得到了快速發展，有望促進量子計算、量子通信、量子傳感、量子模擬和基礎科學等領域的發展。
量子光源在量子通信、量子計算等領域具有重要應用，分為單光子源、糾纏態源和連續變量光源。片上單光子源可以利用硅波導或MRR中的自發四波混頻（SFWM）來實現。SFWM是一種三階非線性效應，把兩個泵浦光子轉化為一對頻率糾纏的信號光子和閑頻光子，對光子對進行解糾纏后可以做預報單光子源。
圖7 Xanadu光量子計算芯片的工作原理和具體結構
硅基光量子芯片的發展也面臨著諸多問題與挑戰：（1）快速、低損耗的光開關網絡的需求。短期內處理大量單光子需要對單光子源進行多路復用和解復用，最近LN，Si-LN和Si-鈦酸鋇開關在這方面顯示出了應用前景。（2）完全集成了量子光源、回路和探測器的光量子芯片有待實現，其挑戰在于泵浦光的去除和對光子的低溫操縱。目前已有抑制比達100 dB的級聯MRR和MZI的報道，這有望應對第一個挑戰，而后者有望通過可低溫操作的Si-鈦酸鋇開關解決。（3）如何進一步提高MBQC的性能，如何克服大規模制造時的誤差和可變性。結合光量子芯片的高可編程性和機器學習算法有望補償制造的不完美。
光量子芯片的發展與硅基光電子技術息息相關，光量子回路的關鍵性能需要新材料、先進的集成和封裝工藝來驅動。為應對集成光量子的挑戰和市場需求，需要有協調的方案，投資開發新的光子集成平臺組件和供應鏈，并建立混合集成和異質集成的基礎設施。
總結
硅基光子芯片具有多種制造平臺，如SOI、SiN、Ⅲ-Ⅴ族半導體、薄膜鈮酸鋰等。SOI平臺具有極強的束縛光的能力，基于該平臺的無源器件和除光源外的有源器件已發展得較為成熟；SiN平臺因其超低損耗和優異的非線性效應獲得了廣泛關注；Ⅲ-Ⅴ族材料，如InP和GaAs，為硅基片上光源提供了解決方案；而薄膜鈮酸鋰具有高速的電光調制能力。利用單個或結合多種平臺，硅基光子芯片在光通信與光互連、光計算、生物傳感、激光雷達和光量子等領域都彰顯出應用前景。
然而，硅基光子芯片的發展還面臨著許多問題：（1）大規模集成光子回路的可靠性。未來需要進一步提升工藝水平，利用巧妙的設計來提高器件的性能和良品率，減少加工誤差等因素的影響，從而提高大規模集成光子回路的可靠性。（2）混合集成和異質集成。混合集成的工藝成本較高，且難以實現大規模集成；而異質集成由于Ⅲ-Ⅴ族材料與硅的晶格失配，會造成位錯、反相疇等缺陷，因此需要集成工藝的進一步提升。（3）對高性能可靠封裝的需求。共封裝和3D封裝技術的發展為此提供了潛在的解決思路。隨著硅基光電子技術的發展，硅基光子芯片將趨向于更低成本、更優性能和更高集成度，將在通信、傳感、計算等領域展現出愈加重要的應用潛力。
DOI: 10.16818/j.issn1001-5868.2022030402
