北大周治平：硅基光電子學引發變革產業化亟需多方努力

本刊記者|刁興玲

北大周治平：硅基光電子學引發變革產業化亟需多方努力

本刊記者|刁興玲

我國硅基光電子技術在器件設計方面并不落后，但在芯片系統集成能力方面仍然稍顯不足。“在硬件方面，我國的加工技術還不完善，有能力的加工單位較少；封裝技術也不如外國成熟；在系統協同方面，我國產學研多方還需進一步加強合作。”周治平教授指出。

未來計算機和消費類電子產品性能的提高將主要依賴于中央處理器芯片之間和芯片內光信號的互連，光互連技術作為解決不斷增長的通信容量和密度的方案已經成為業界共識。

目前光互連技術主要有基于III-V族半導體材料體系和基于IV族硅等與CMOS工藝兼容的材料體系兩種。III-V族材料體系雖然光學性能較好，但成本很高、加工困難、集成度不高。為了滿足低成本、大容量、高密度的光互連方案要求，硅基光電集成技術應運而生。

硅基光電子學引發產業革命

中國電信集團科技委主任韋樂平曾表示：“目前光層的創新路徑已經有很多探索，但硅基光電子技術或許是最根本性的創新主線。”

硅基光電集成技術尤其是在低成本、高集成度方面具有不可替代性。硅基光電集成的優勢主要來源于成熟的硅基微電子CMOS技術，包括易于獲得、成本低廉的硅基材料，大批量、高良率的大規模集成技術，以及可擴展、可持續發展的產業結構。

硅基光電子學一經提出，就受到了國際上的廣泛重視。北京大學教授、光子學研究主編周治平早年就職于喬治亞理工學院，成為最早研究硅基光電子學的學者之一。當他回國后，于2006年獲得了一項80萬元的“973預研小項目”——新型硅基微納光電子器件及集成技術基礎研究。項目雖小，卻標志著我國政府對硅基光電子學支持的開始。自此之后，在周治平教授及相關研究人員的不斷宣傳和推動下，硅基光電子集成研究越來越受到重視。

值得一提的是，2011年周治平教授團隊獲得了“863項目”——硅基集成100Gbit/s相干接收及傳輸模塊技術的支持，2012年又獲得了國家自然科學基金重大國際合作項目“低功耗微/納光電子集成技術基礎研究”的支持。

我國第一片硅基集成100Gbit/s相干發射與接收芯片誕生

在國際上，IBM于2012年在標準的90納米CMOS工藝線上集成了含有波分復用技術的光電子和微電子系統，其數據吞吐率達100Gbit/s；2013年，Intel向全世界公布了速度達100Gbit/s的芯片運行狀況，并決定芯片生產線投產運行。

近10年來，我國的硅基光電子集成研究也得到了極大的發展，北京大學、上海交通大學、浙江大學等院校，以及中國科學院半導體研究所等科研機構，均在該領域取得了一系列進展。

特別是2013年思科以2億美元的價格收購了硅基光電子技術公司lightwire（擁有100Gbit/s的芯片），開始深入硅基光電子技術，這引起了我國華為、中興、烽火通信等企業的重視。我國企業也開始在硅基光電子芯片方面進行投入，開展該領域的研發工作。

周治平教授透露，其領導的北京大學硅基光電子及微系統實驗室目前已開發出我國第一片硅基集成100Gbit/s相干發射與接收芯片，填補了國內空白；除此之外，在降低硅基光電子器件的能耗方面也做了很多工作，目前在Mod-WDM系統的能耗降低方面已經找到了一條切實有效的路線。

技術產業化亟需產學研多方努力

周治平教授坦言，目前硅基光電子技術仍面臨困難，其面臨的挑戰主要在能耗和片上光源方面。現在有部分硅光產品已經商用，其通信速率雖然大大超過了銅互連，但能耗也顯著升高。未來隨著通信速率的不斷提高和硅光的廣泛應用，實現低能耗會變得越發迫切。片上光源問題目前主要通過將成熟的III-V族激光器flip-chip貼片到硅基光電芯片上來解決。未來若能在硅基光電芯片上實現光源的直接集成，在成本、集成度、可靠性和生產率方面還會有所提升。

另外，由于硅材料自身物理性能的限制，硅基激光器的實現一直被譽為世界性難題。周治平教授表示，IV族半導體硅、鍺材料是間接帶隙，實現激光發射比較困難，但部分硅基光電子集成芯片所需的片上光源不一定是硅基激光器，也可通過在硅基材料上生長其他材料加以實現。這種方案能夠利用發光特性較好的材料，因而目前看來較有前景。在另一方面，通過對硅鍺材料的能級改造來實現激光仍然是值得探求的路徑。

我國硅基光電子技術在器件設計方面并不落后，但在芯片系統集成能力方面仍然比較落后。“在硬件方面，我國的加工技術還不完善，有能力的加工單位較少；封裝技術也不如外國成熟；在系統協同方面，我國產學研多方還需進一步加強合作。”周治平教授指出。

硅基光電子集成技術已經可以產業化，并且國外已經在進行。周治平教授認為，我國要想盡快地享受到這一技術所帶來的好處，還需要滿足以下3個重要條件：首先，政府和投資界的高度重視和投入以確保我國不再輸在起跑線上；其次，亟需光電子和微電子行業的協同合作推出低成本、高可靠的通用性產品；最后，應用行業的開放態度以利于抓住這一革命性的機會。

充分利用高校、研究所的學術研究能力以及產業界雄厚的資金和技術實力，各界齊心協力才能更好地推動硅基光電子技術在我國的迅速發展。

何為硅基光電子？

硅基光電子技術是以光子和電子為信息載體的硅基大規模集成技術。其核心內容就是將光子器件"小型化"、“硅片化”，并與納米電子器件相集成。即利用硅或與硅兼容的其他材料，應用硅工藝，在同一硅襯底上同時制作若干微納量級，以光子和/或電子為載體的信息功能器件，形成一個完整的具有綜合功能的新型大規模集成芯片。