硅光的发展预测

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在光通信技术的推动下，硅光子技术已成为主流技术。目前，硅光子器件的集成数量从数千个迅速增长到数百万个，主要应用于数据中心通信收发器等领域。未来，硅光子技术将在传感和运算等应用领域得到广泛应用。然而，如何实现硅光子器件的大规模生产，以及下一代硅光子技术的发展方向和面临的挑战，仍需要解决。本文旨在回答这些问题，通过绘制硅光子技术的发展趋势图，比较CMOS技术的世代定义，确定硅光子技术在制造兼容器件、电路、集成和封装方面需要解决的关键挑战。同时，我们也确定了通信、信号处理和传感领域对下一代硅光子技术的重要性。通过总结这些机遇和挑战，我们希望推动硅光子生态系统的器件、电路和系统的研究进一步发展。

1.技术路线图

图1 小规模、中等规模、大规模和超大规模集成（分别为SSI、MSI、LSI、VLSI）的硅光子集成电路（PIC）上组件数量的时间线。

图1展示了硅光子技术的演变。硅基光子集成电路（PIC）于1985年推问世，1991年至1992年在厚绝缘体上硅（SOI）工艺中实现了低损耗波导。接下来出现了各种光学器件。很快，硅光子就进入了小规模集成（SSI）时代——在PIC上有1到10个组件，其中包括高速pn结调制器和光电探测器（PD），以及III-V激光器与硅PIC的异质集成。下一个时代迎来了硅光子的商业成熟。在中等规模集成（MSI）时代，Mach-Zehnder调制器（MZM）成功用在数据中心内的IMDD收发器中——PIC上有10到500个组件，包括单波长和多波长。基于微环调制器（MRM）的IMDD收发器（见图2a）体现了PIC技术的多路复用和能效优势。硅光子/电子平台中的相干收发器证明，该技术可以在性能上与LiNbO3光子和III-V族电子媲美。除了通信，硅光子还有更多新的应用，如倏逝场生物传感器。硅光子现在开始了大规模集成（LSI）的下一个时代——在同一芯片上实现500到10000个组件。LSI的应用包括激光雷达（见图2b）、图像投影、光子开关、光子计算、可编程电路和多路复用生物传感器。甚至超大规模集成电路（>10000个元件）的原型现在也已出现。在通信领域，一直是硅光子的重要市场驱动力，硅光子已经从SSI时代的挑战者技术转变为MSI时代数据中心内和数据中心间互连的主导技术，并有望成为LSI时代的主流技术。硅光子是使共封装光学技术（CPO）取得成功、实现高性能计算的规模化、实现分解计算的关键。

图2 当前和未来技术的LSI硅光子系统的示意图：a.WDM收发器：SMLL向紧凑的、具有WDM功能的调制器和滤波器阵列提供多波长CW光。

2.硅光子技术的技术视角

经过几代CMOS工艺的发展，许多材料被添加到硅中，以降低功率、提高性能和缩小面积——这些通常被称为PPA指标。添加物包括用于金属迹线的Al和Cu，用于诱导应变和实现异质结BJT的Ge，以及用于钝化和扩散势垒的氮化硅（SiN）。CMOS的研发预算和商业市场比硅光子技术大几个数量级。因此，我们在硅光子工艺的发展中也看到了类似的趋势。除了用于高速调制的p/n掺杂剂之外，现在由几个晶圆厂原生支持的两种材料是（1）Ge高速光电探测器和（2）SiN，以扩展波长范围，实现更高的光功率，并在干涉测量器件中支持具有更低损耗和更好相位控制的波导。

缩小面积将是LSI和VLSI时代下一个十年硅光子工艺开发的重点。事实上，最大的密度限制很少来自器件尺寸；消除串扰的波导之间的间距比实际波导的尺寸大得多。对于射频（RF）器件，有源元件之间的间距（临界尺寸为微米）通常为数百微米，以消除射频串扰。缩小这些“空白”需要非常详细的系统级模拟和充分的多物理建模，这将是制造更小、更便宜、更高密度芯片的核心。无源器件本身的尺寸减小通常受到折射率对比度和1-2μm的工作波长的限制。使用反向设计技术来收缩无源构建块仍有一些余量，但波导本身不能真正收缩到今天硅平台的400-500 nm宽度以下。然而，在光学I/O耦合器和高速调制器中仍然可以实现显著的缩放。为了耦合到光纤，带有边缘耦合器的V形槽以相当大的芯片面积为代价，提供了低损耗、易于顶包连接。没有V形槽的边缘耦合器更小，但需要更精确的主动对准，从而增加了成本。多芯光纤是一种很有吸引力的解决方案。主要的替代耦合方法是通过光栅耦合器，它紧凑的特性提供了在芯片表面上定位的灵活性，能够进行晶圆级测试，并且也可以以低插入损耗（IL）来实现，但存在偏振和温度敏感性以及较低的光带宽。无源对准封装技术，如光子引线键合（PWB），提供了一种有吸引力的潜在替代方案，对其组件进行更多的可靠性研究将有助于其广泛应用。

3.硅光子技术：系统视角

光子&电子相辅相成

硅PIC几乎总是与电子IC（EIC）一起存在。当我们审视基于光子芯片的系统时，今天的格局几乎100%由数据通信主导，我们预计这种情况将在不久的将来继续持续下去。在这种情况下，EIC有几个用途（图2）：（1）启用端到端数据的E/O和O/E转换。（2）对温度和制造变化进行偏置、控制和补偿。因此，光子学通过提供数据链路为电子器件服务，而电子器件通过提供控制和读出以及数字信号处理（DSP）为光子学服务。光子学和电子学之间的一个主要区别是，光子不相互作用，因此非常适合信息传输，而电子相互作用并相互排斥，因此是很好的开关和计算元件。因此，每个硅光子开关都需要相应的电子开关。总的来说，必须伴随LSI PIC的EIC中的晶体管数量比PIC中的组件数量大几个数量级。这是一种自然的相互作用，因为晶体管在（1）开关、（2）提供增益（线性和限制性）和（3）提供高精度时消耗的功率要低得多，同时比光子组件小几个数量级。另一方面，与铜相比，光子组件（1）在较长距离上移动数据时能够实现较低的频率相关损耗，（2）可以通过异步和无中继器的数据移动提供较低的延迟，以及（3）使非常高速的数据在光波导上的并行性（通过WDM）变得容易。当数据已经在光域中时，光子信号切换或处理可能会变得有吸引力。前者是一种广泛部署的技术，而后者尚未实现从研究到产品的飞跃，以取代DSP的功能。因此，认识到PIC和EIC技术各自的优点是很好的。例如，必须仔细分析光子域中处理电子数据的E/O和O/E开销。相反，硅光子技术为缩小大型光学系统提供了机会，并将新的应用（如传感和成像）带到了现实中，而电子技术本身无法实现这些应用。最后，硅光子技术在数百太赫兹的载波上工作，而硅电子器件仅限于亚太赫兹。这种不同的属性开启了有吸引力的共同设计机会，例如设计具有超低相位噪声的电子时钟。

光子&电子生态系统

摩尔定律表明，每一代CMOS技术都会降低晶体管的关键尺寸，从而降低每个组件的成本。随着时间的推移，半导体行业的经济规模呈指数级增长，这使得该行业能够为越来越昂贵的晶圆厂和工艺开发买单。晶圆厂使许多用户能够访问这些高级流程，而无需每个用户自己付费开发流程。在最极端的情况下，晶圆厂托管的MPW（多项目晶圆）运行允许多个用户分担单个晶圆运行的成本，以经济高效地开发产品。

随着工艺的成熟，产量上升并且成本下降。晶圆厂和第三方知识产权（IP）供应商能够提供工艺设计工具包（PDK）和设计IP库，使客户能够构建极其复杂的电子电路，并在第一时间将其做好。通过依靠久经考验的器件和久经考验的电路级IP，设计师可以专注于片上系统（SoC）集成，而在某些情况下永远不会触及晶体管级别。

图4

光子学行业有几个相似之处，但也有许多明显的差异。就像在电子行业一样，增加光子组件的数量并不总是为了降低成本，而是为了提供新的功能、提高性能或减少每个组件的面积。尽管成熟的PDK和抽象语言仍处于非常早期的阶段，但现在许多晶圆厂都可以运行MPW。到目前为止，第三方知识产权支持基本上不存在。公司采用最先进的PIC工艺来保护其投资和知识产权。这让人想起CMOS行业的前几十年，作为虚拟集成器件制造商（IDM），在工艺和PDK层面保持差异化。同时，学术研究主要集中在器件的改进上。

光子晶圆厂面临着一个重大的困境：他们的客户经常要求他们定制工艺，这涉及到大量的研发费用，并危及最终晶圆的可靠性和产量。推动客户进入标准流程是解决这一问题的解决方案，但为了做到这一点，客户需要看到稳定性以及稳定的PDK和IP生态系统中的重大价值；只有少数设计师是这样看待问题的，因为今天设计界的许多成员都是作为器件设计师而不是SoC设计师接受培训的。在这样的设计者看来，改变工艺参数通常是产生性能差异的最简单方法，但从可靠性和工艺维护的角度来看，这种改变的下游成本可能非常高。随着越来越多习惯于固定PDK想法的设计师毕业并进入该领域，破坏性的流程变化将慢慢变得越来越不常见；晶圆厂也可能会越来越抗拒来自客户的流程变化，而这些变化并没有得到大量采购承诺的证明。

光子&电子共同集成

自从第一个商业上成功的硅光子产品问世以来，PIC与EIC集成的选择就一直存在。开发单片EPIC工艺（图4e），从CMOS（或BiCMOS）SOI工艺开始，并针对光子应用对其进行优化，已多次获得成功。从商业化和上市时间的角度来看，单片EPIC通常“似乎”是首选的优越技术（表4）。驱动器和TIA等高速电路可以与调制器和PD并排放置，从而减少寄生效应和功耗。控制器（热、波长）可以被设计并放置在光子组件旁边，而不需要专用焊盘。对于LSI应用，单片EPIC可以显著简化封装复杂性。然而，当管芯区域由光子（光子元件比电子元件大几个数量级）主导时，在没有充分利用CMOS器件的情况下，整体管芯成本可能会显著增加。这种分析必须针对个别产品逐一进行。

表4

EPIC的其他可能性也被广泛探讨。将光子添加到上一代CMOS工艺中会导致高功率、较慢的驱动和TIA，从而导致更糟糕的收发器设计，并使其对硅光子的最大客户——数据通信和电信——没有吸引力。尽管如此，这样的过程对大学研究人员很有吸引力，因为它为以低成本和封装努力共同设计和创新新的EPIC电路开辟了机会。另一方面，正在进行多项努力，将双极晶体管集成到与硅光子器件相同的晶片上。然而，到目前为止，这样做依然涉及对双极电子器件的性能的不可接受的妥协。

目前HVM中的大多数硅光子收发器都基于2.5D集成方法，其中PIC和EIC在其各自的最佳工艺中进行设计、尺寸确定、优化、测试，然后倒装到中介层基板上（图4b，表4）。EIC工艺可以从众多CMOS/SiGe晶圆厂中选择。多个EIC芯片也可以是倒装芯片，例如（1）具有相当大的击穿电压的SiGe芯片或缩放CMOS芯片，以允许高摆动驱动器和合理的开关速度来支持RF速度要求，以及（2）用于DSP/ADC/DAC的高级FinFET芯片。具有更快晶体管的EIC工艺甚至可以补偿由于额外的焊盘、ESD和布线（与单片EPIC解决方案相比）而产生的寄生电容。对于大多数PIC组件需要相对较低速度的电子器件（如激光雷达）的LSI应用，倒装芯片解决方案似乎是合理的。然而，对于需要许多高速驱动/读出线的LSI应用，倒装芯片解决方案意味着内插器上有许多RF迹线，这导致了复杂性和串扰问题。在任何一种情况下，由于需要许多I/O凸块，PIC的尺寸都会增加，尽管使用微凸块和铜柱技术，但这些增加在商业上通常可以忽略不计。在某些情况下，可以考虑混合3D集成，其中EIC在（较大的）PIC芯片上倒装，并使用先进的技术，如硅通孔（TSV）（图4c，表4）。RF线路仍然需要从小型EIC布线到PIC上的几个地方，这仍然具有挑战性。异构3D集成也在研究中，在这种集成技术中，光子组件的性能有望得到进一步改进（图4d，表4），其中一种可能性是使用集成在PIC上的多个EIC 3D。

总的来说，应用、性能规格和发货量（影响成本）将决定更昂贵的单片EPIC（具有更简单的封装）、多芯片2.5D集成（具有更复杂的封装）还是3D集成（具有更加复杂的处理/封装）哪种是正确的选择（表4）。我们预计所有这些场景都将共存，就像在电子生态系统中一样。

4.硅光子技术：应用前景

在本节中，我们描述了各种硅光子应用成功的主要技术障碍（表5），将它们与前几节中讨论的一些挑战和机遇联系起来。我们仅限制PIC/EIC技术的障碍，不包括经济、监管、市场和其他因素，如化学、生物标志物、量子优势等。我们也没有深入研究硅光子对这些应用的好处，因为之前的大多数工作都对其进行了详细描述。

表5 硅光子在通信、计算、信号处理和传感领域的各种应用面临的最大技术挑战（截至2023年）

为了使IMDD收发器进一步提高其能量效率（pJ/b）并扩展到更高的数据速率，调制器FoMeefficiency需要进一步降低，−3dB E/O BW需要提高到100 GHz。改进激光器的WPE对于大多数应用来说是必不可少的，但对于通信和计算应用来说尤其重要。还需要在每个波长中具有足够大功率的高效多波长光源。O/L/C频带中的低噪声、大增益带宽APD可以在没有显著功耗损失的情况下提供SNR改进，但从历史上看，它们的带宽、线性、噪声和功率处理特性阻碍了它们在最高带宽下的使用。最后，使用高增益、低噪声TIA放大PD信号仍然是一个关键的挑战。最近已经证明了几种基于均衡的技术可以使用低BW TIA来限制噪声，但大多数技术都只是在接收机时钟可用的假设下操作的。

为了使相干收发器在数据中心内部具有竞争力，必须解决额外的挑战（相对于IMDD）。TIA和驱动器的线性要求更加严格，需要尽可能减少对耗电DSP的依赖。研究人员正在探索的一种策略是利用集成光子和模拟电子电路将一些信号处理任务转移到光学领域。后者需要大量的电子-光子协同设计工作，为CMOS设计者利用混合信号和RF IC的专业知识提供了机会。

光子计算涉及光子域中信息的模拟计算和处理。这需要处理多级信令并提高权重控制的精度，以保持足够高的SNR，从而与现有的CMOS EIC计算引擎相比保持精度。访问高速内存以防止非重量固定的激活和任务出现内存墙是另一个挑战。光子计算采用高并行性，因此需要减少无源和有源器件（调制器、移相器）的IL，并提高多波长激光器的输出功率，以增加网络规模。

微波光子的应用（如滤波器和低相位噪声振荡器）与迄今为止讨论的大多数其他应用相比，具有不同的挑战。用于微波滤波的无杂散动态范围（SFDR）规范在当前一代硅光子中实现起来相当具有挑战性。调制器和PD需要严格的线性，同时，必须将几种噪声源（激光、PD、TIA）降至最低。获得RF净增益的目标使设计更加复杂。通过具有优于仅CMOS对应物的相位噪声的硅光子实现激光辅助微波振荡器还需要最小化激光噪声、PD和TIA噪声。还需要良好的短期和长期稳定性。

硅光子还可以用于低成本和紧凑设计的陀螺仪。但是，为了在性能上与基于光纤的同行竞争，利用Sagnac效应的硅光子中的陀螺仪必须证明波导中的超低损耗（模仿光纤）、在振动和温度变化的极端条件下由于反射而导致的偏置漂移的减少（以不掩盖Sagnac相移）以及高灵敏度的低噪声。SiN波导的工程化已经将损耗降低到0.5dB/m，还需要进一步改进。必须消除片上和片外的背反射，为此必须可靠地实现片上隔离器、反射消除电路或自注入锁定。由于陀螺仪既不需要LSI实现，也不需要高速调制器，因此如果解决了上述挑战，它将会是一种很有前途的定制应用。它对振动的鲁棒性也要求异构实现，HVM必须解决其挑战。

用于生物传感应用的硅光子光谱仪通常需要与C/L/O波段不兼容的工作波长。这成为最重要的瓶颈，因为必须设计、测试和表征新的波导（相对于标准的220nm）和其他光子组件。激光器也是很具有挑战性的，并且在这些非标准波长下对宽波长调谐或多波长激光器的需求造成了严重的困难。最后，测量的稳定性和可复制性对于生物传感应用至关重要，尽管存在环境漂移，但必须保持PIC和激光器的性能。

倏逝场生物传感器的稳定性和可复制性要求甚至更严格，因为对血液或其他体液的侵入性测量增加了用户对信任的期望。检测的系统极限不仅取决于谐振器对温度、激光噪声、PD和TIA噪声的响应，还取决于流体流动、机械振动和生物噪声引起的噪声。在氧化物开放步骤之后，谐振器表面的功能化在很大程度上取决于波导设计和亲和力。生物传感器的封装和集成带来了下一组挑战。台式机使用昂贵的可调谐激光器和纳米定位器，但使用简单的无源PIC进行生物传感。另一方面，护理点设备必须紧凑、廉价，并且需要使用低成本可调谐激光器或与PIC、EIC和流体学的其余部分集成的固定波长激光器进行操作。

目前用于视网膜成像的以硅光子为扫描源的光学相干断层扫描（OCT）原型的灵敏度较差。首先，它们在O或C波段工作，而眼科OCT优选在1050 nm处，以更深地穿透组织。移动到1050nm将需要基于SiN的PIC和该波长的可调谐激光源。最大限度地减少内部反射并改善隔离将提高灵敏度。下一个障碍是激光源的调谐范围和扫描速率有限，降低了图像采集速率。最后，由于激光安全性的限制，激光功率不能太高。这反过来又需要PIC和成像光学器件之间几乎无损的连接。

我们期待硅光子技术能够发展出更为完整的生态系统。将光子电路的设计流程集成到EDA环境中已经开始，随着电路的复杂度上升，光子和电子的协同设计将变得更加关键。光子电路的规模化和与电子学的融合将带来更大的可配置性和可编程性，降低构建利用光物理用于新应用的新系统的门槛。

过去，太空时代催生了CMOS产业，互联网时代催生了光子产业，而现在的数据时代将为这两种技术提供更多发展的燃料。

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