硅基光電子在通信中的應用和挑戰

李德釗，許鵬飛，朱科健，周治平,3

（1. 北京愛杰光電科技有限公司，北京 100190；2. 北京大學，北京 100871； 3. 中國科學院上海光學精密機械研究所，上海 201800）

1 引言

以硅材料為主導的微電子技術在過去半個多世紀中取得了舉世矚目的成就，一直是現代信息社會發展的驅動力。微電子芯片的發展遵從摩爾定律，但隨著微電子芯片的工藝節點向原子級靠近，量子效應對芯片性能的影響加劇，摩爾定律面臨失效。人們使用多核處理器提高性能和降低功耗，然而總線的信號傳輸速度制約了處理器的處理能力[1]。傳統的電互連由于電磁干擾和時延等原因，不能滿足未來高速數據通信的需求。光通信具有抗電磁干擾、高傳輸率、低能耗、低時延等特性，光作為信息互聯的媒介相對電信號來說具有先天的優越性[2-6]。20世紀70年代美國貝爾實驗室的Miller提出了集成光學的概念[7]，其目標是在同一芯片中同時集成光器件和電器件。

隨著早期互聯網的發展，三、五族化合物半導體材料成為光通信的首選，并推動了光通信的發展[8]。這段時期集成化光通信芯片的主要材料是磷化銦（InP），InP是直接帶隙半導體，載流子遷移率高，可以直接制備高速半導體激光器、放大器和調制器等關鍵光電子器件。然而，銦是稀有材料，價格昂貴；InP晶圓尺寸小、產量低，依賴復雜的外延工藝。這都抬高了基于InP材料的光通信芯片成本。當前InP光模塊的成本約為1美元/（Gbit·s-1），難以進一步降低。

隨著電信和互聯網的進一步發展升級，5G、物聯網、數據中心等應用需求使得光通信系統信道容量在過去30年中增加了5個數量級，如圖1所示，光通信系統技術路線的升級依賴于技術的革新，光通信系統和調制格式越來越復雜。在當前主流的骨干網和數據中心通信系統中，基于相干通信技術和波分復用技術的100 Gbit/s光通信芯片和模塊被大量應用[9-12]。未來光通信芯片和模塊將向400 Gbit/s、800 Gbit/s甚至Tbit/s（級別速率演進，迫切需要開發更高集成度、更低成本的光通信芯片和模塊[13-16]。

圖1 光通信系統的通信容量在過去30年中增加了5個數量級

除了長距離數據傳輸，硅基光電子還可以滿足微電子芯片內／間的短距離大容量數據傳輸。通過與微電子集成電路進行單片集成，實現高速、低功耗的片上互連，突破目前的微電子處理器在數據互連上的瓶頸[17]。

2 發展應用

硅基光電子技術通過探討微納米量級光子、電子及光電子器件在不同材料體系中的新穎工作原理，并使用與硅基集成電路工藝兼容的技術和方法，將它們異質集成在同一硅襯底上，形成一個完整的具有綜合功能的新型大規模光電集成芯片。硅基光電子的發展始于20世紀80年代，Soref發現了晶體硅中的等離子色散效應，為硅基電光調制提供了理論基礎[18]。硅基光電子技術擁有光的極高帶寬、超快速率和高抗干擾特性以及微電子技術在大規模集成、低能耗、低成本等方面的優勢，更適應未來高速、復雜的光通信系統[19-20]，如圖2所示。Intel預測，未來硅基光電子模塊的預期成本可以降至0.3美元/（Gbit·s-1），相對于InP材料而言更具有成本優勢。

圖2 硅基光電子技術適合多通道的高速光通信

硅基光電子巨大潛能和商用價值逐漸受到業界認可，其中代表性的公司主要包括Luxtera、Rockly、Intel、Acacia、Sicoya等[21-23]，商業公司的加入大力推動了硅基光電子技術產業化的發展。

Rockly是早期致力于硅基光電子商業化的公司之一。Rockly的硅基光電子芯片采用3 μm厚硅的技術路線[24-25]，充分發揮硅材料在無源器件方面的優勢，與一般的220 nm薄硅技術路線相比，Rockly將硅波導的損耗降低了一個數量級（約0.2 dB/cm）；且3 μm的厚硅波導尺寸與InP激光器模斑尺寸相近，便于和InP激光器混合集成，避開了硅材料在發光上的劣勢；但其弊端在于無法通過摻雜的設計形成調制器，需要采用倒裝焊（flip-chip bonding，FCB）的方式將InP的電吸收調制器集成到硅基光電子芯片上實現調制功能。

Luxtera（后被思科收購）也是早期從事硅基光電子通信芯片研究的公司，Luxtera的硅基光電子芯片采用光柵耦合器作為輸入/輸出（I/O）端口，可以不經過裂片直接對硅基光電子芯片進行晶圓級測試和封裝，節約了整體成本。同時，Luxtera的硅基光電子芯片封裝技術也較為領先，通過到FCB的方式將激光器芯片和專用集成電路（ASIC）芯片混合貼裝在硅基光電子芯片表面形成完整的硅基光電子收/發芯片引擎，降低了后端光模塊封裝的難度[26-28]。

Intel于2016年發布了基于硅基光電子的首款50 Gbit/s光發射和接收模塊。Intel的硅基光電子芯片采用了特殊的倏逝波耦合結構，利用自身的工藝能力，使得硅基光電子波導和InP芯片共同構成激光器諧振器（可以通過調整硅基光電子波導的結構改變工作波長，同時避免了光模場的對準問題），大大降低了整體的封裝成本[29-32]。Intel于2018年推出的100 Gbit/s PSM4 QSFP28硅基光電子收發模塊，也是近年來硅基光電子通信應用領域最成功的產品之一，累計出貨量超300萬只。

Acacia在硅基光電子的長距離應用上處于領先地位，是最早推出100 Gbit/s相干硅基光電子收發模塊的公司[9,33]，具備相干數字信號處理（digital signal processing，DSP）芯片設計能力及業內領先的硅基光電子單片集成及封裝工藝。于2018年發布的AC1200模塊是首次實現6 600 km超長距離400 Gbit/s速率信號傳輸的硅基光電子模塊。

Sicoya是采用單片集成路線的硅基光電子芯片公司，利用IHP公司開發的鍺硅雙極互補金屬氧化半導體（GeSi BiCMOS）工藝，將微電子集成電路（如驅動器（Driver）、跨阻放大器（TIA）等）和硅基光電子芯片集成在同一塊硅片上[34-35]，提升了整體性能。一方面，大大縮短了高頻信號在驅動器和調制器之間的傳輸距離，降低了發射端的功耗；另一方面，由于光探測器和放大器之間的信號路徑縮短，接收端具有更高的信噪比。

近年來，我國的硅基光電子產業發展十分迅速，基礎研究不斷取得突破、技術標準相繼形成、產業鏈不斷完善、產品解決方案日趨完善。部分硅基光電子技術基礎研究接近國際一流水平，部分關鍵產品已基于自主研發實現了產業化突破[36-39]，2018－2020年，國家信息光電子創新中心聯合產業力量先后推出100 Gbit/s硅基光電子芯片和4×200 Gbit/s硅基光電子發射機，實現技術突破[40-43]。此外，光迅、華為、阿里巴巴、海信、亨通Rockley、賽勒光電等企業正在進入硅基光電子市場，相繼展示了自主研制的硅基光電子產品。

3 市場前景

硅基光電子技術市場前景十分廣闊，根據市場研究機構 Yole 的數據[44]，2020年，基于硅基光電子技術的產業總體市場規模大約為8 000萬美元。到2026年，預計硅基光電子技術的產業總體市場規模將快速增長至11億美元，2020— 2026年均復合增長率高達 49%。硅基光電子不同應用場景市場規模預估如圖3所示。

圖3 硅基光電子不同應用場景市場規模預估

硅基光電子技術應用場景分布廣泛，在通信、激光雷達[45-46]、傳感[47]以及人工智能光計算[48]等方面已有產業化的趨勢。特別是在2021年，Rockley與蘋果公司合作開發基于硅基光電子的分光光度計，可用于測量人體乳酸、體溫、血壓、血氧和心率等數據。預計將在智能手表上搭載該器件，開啟了硅基光電子技術在消費電子方面的產業化進程，預計在2026年，硅基光電子在消費電子領域的市場規模將占據硅基光電子產業總市場規模的43%。

截至目前，硅基光電子技術最成熟的應用場景仍然是光通信行業。2020年，用于光通信的硅基光電子收/發器市場規模占硅基光電子技術產業總市場的98.9%。產品主要應用于數據中心光互聯、長距離骨干網光互聯和5G前傳等。其中數據中心是硅基光電子模塊最主要應用場景。數據中心通信連接數量大、節點間距離短、環境溫度相對穩定、對光模塊的成本敏感，硅基光電子在數據中心應用優勢明顯。因此用于數據中心光通信的硅基光電子收/發器占硅基光電子在光通信市場總規模的97%。到2026年，預計硅基光電子技術在光通信領域的主要應用仍將集中于數據中心光通信，并以26%的年復合增長率實現4.5億美元左右的市場規模。

除了數據中心的應用外，長距離骨干網市場總體容量有限；而5G應用場景對光模塊的溫度穩定性要求較高。同時現階段硅基光電子芯片封裝的良品率較低、封裝成本高，硅基光電子模塊總體成本相比于傳統InP材料光模塊沒有顯著優勢。市場出于對成本和穩定性的考慮，在5G應用下硅基光電子模塊的占比較少。

進一步推動硅基光電子技術的產業化進展面臨著一系列挑戰。

4 挑戰

傳統光通信模塊多使用InP材料，為了降低產品升級迭代的成本，要求硅基光電子的產品需要具有對InP光模塊的兼容能力。但由于硅材料本身的特征，例如硅基光電子芯片不能發光、沒有高效率的一階電光效應、硅波導的有效折射率對溫度敏感等，這些都限制了硅基光電子模塊的應用場景，為了進一步擴大硅基光電子技術的應用范圍和市場規模，必須直面這些性能上的挑戰。

硅基光電子技術具有集成度高的優勢。同時，較高集成度對封裝技術也提出了更高的要求，硅基光電子芯片的封裝對精度要求高、技術難度大，現階段硅基光電子芯片的封裝成本甚至占到了硅基光電子模塊總成本的10%左右。開發具有低成本、高可靠性的硅基光電子芯片封裝技術是硅基光電子大規模產業化面臨的挑戰之一。

在硅基光電子芯片的研發制造上，目前的硅基光電子芯片設計多采用人工布局布線，從原理圖到版圖的準確性依賴于設計者的設計能力，容易出現錯誤。相對電引線而言，特殊的光波導布線要求會耗費大量時間。隨著硅基光電子技術的發展，片上系統越來越復雜，特別是硅基光電子芯片和互補金屬氧化物半導體（CMOS）芯片集成在同一芯片的單片集成應用場景下，人工進行布局布線和版圖－原理圖（LVS）驗證越來越不具備可行性，硅基光電子芯片對自動化軟件的需求越來越迫切。

綜上所述，硅基光電子發展的主要挑戰集中在器件的性能、封裝和自動化設計等問題上[49-50]。

4.1 部分器件技術難題

4.1.1 片上光源

盡管學術界采用多種方法試圖實現可以單片集成的硅基光源[51-52]，但目前硅基光電子技術產業界大多依然采用混合集成方案。激光器芯片采用InP材料，并與硅基光電子芯片在各自平臺上獨立制造，之后再進行貼裝。硅基片上光源一直沒有得到真正的解決, 成為制約硅基光電子學發展的瓶頸之一，硅的間接帶隙特征給高效硅基光源的實現帶來很大困難，實用化的片上硅基激光器是學術界和產業界長期奮斗的目標。

4.1.2 調制器

應用在光通信領域的硅基光電子芯片需要小尺寸、低功耗、大帶寬的硅基光電子調制器[53-54]。由于對溫度不敏感，通信用硅基光電子芯片中一般以馬赫－曾德爾調制器（MZM）為首選[55]，如圖 4所示。現階段MZM的帶寬獲得了較大提升，已經實現了帶寬高達55 GHz的寬帶MZM[56]，但在尺寸和功耗上仍需進一步發展。

圖4 寬帶的行波電極硅基馬赫－曾德爾調制器

MZM是硅基光電子通信芯片上尺寸較大的單元器件，其尺寸一般在毫米級別。大的單元器件尺寸降低了晶圓產出也增大了微波信號的損耗。開發小尺寸的硅基電光調制器不僅能夠降低成本，還能提高調制器性能。

由于硅材料沒有一階電光效應，硅基電光調制器一般基于等離子體色散效應實現電光調制。等離子色散效應調制效率較低，電光調制時所需的功耗較大[57]；同時，高速硅基MZM為了獲得更高的帶寬，通常采用耗盡式行波電極結構進行調制。耗盡式調制方式所需的直流偏置電壓將會與行波電極終端的匹配電阻[58]形成直流回路，這一直流功耗導致高速硅基MZM的功耗進一步升高。為了降低高速調制器的損耗，研究人員采取了很多措施，比如采用特殊摻雜區結構的調制器[34,59-60]、采用分段集總式電極替代行波電極[61-62]、通過鏤空襯底減小微波信號的損耗[63]、通過利用 CMOS 電路進行單片集成[64]和先進的封裝技術降低損耗[65-66]等，硅基光電子芯片的能耗問題得到了一定程度的緩解。

4.1.3 波分復用器件

波分復用器件通常要求波導擁有相對穩定的有效折射率，才能穩定地實現不同波長光信號的分/合波。硅是具有熱光效應的材料，其熱光系數大約為1.85×10-4，普通硅基光電子波分復用器件需要額外的控制手段穩定器件工作時的環境溫度，否則將會產生嚴重的工作波長的漂移或者通道串擾，但溫度控制設備會增加光模塊整體的功耗[67]。溫度不敏感的波分復用器件是實現魯棒波分復用的關鍵器件，業界采用了多種辦法實現硅基集成化波分復用器件，例如將反射式階梯光柵結構引入硅基光電子芯片中[12]、通過特殊設計利用實現工作波長穩定的級聯馬赫－曾德爾干涉儀（MZI）[68-71]等。目前硅基光電子芯片偏向于使用級聯MZI的方案實現熱穩定的波分復用器件，如圖5所示，但基于級聯MZI的波分復用器件難以符合局域網波分復用（LWDM）和中等波分復用（MWDM）等通道間隔較為密集的波分復用方案標準的要求。硅基集成的溫度不敏感波分復用器件仍有待突破。

圖5 溫度不敏感片上波分復用器件

5 硅基光電子芯片封裝技術

對硅基光電子芯片的封裝主要分為高頻電學封裝和光學封裝兩部分。硅基光電子芯片的高頻電學封裝技術和微電子芯片的封裝技術重合度較高，目前技術相對成熟[72-75]。但隨著通道數量的增多和復雜信號調制格式的引入，引線電極越來越多，對外圍封裝板的I/O密度要求將會大幅度增加，封裝難度也相應提升。

與硅基光電子芯片的電學封裝相比，硅基光電子芯片的光學封裝技術難度高、良品率低，是硅基光電子芯片封裝技術的核心所在[76-77]。由于硅基光波導芯層和包層之間的折射率差異較大，單模硅基光波導尺寸較小，這一方面使得硅基光電子芯片的集成度比InP芯片集成度要高，同時也帶來了硅基光波導和單模光纖模斑尺寸不匹配的問題[78]，如圖6（a）所示。增大了硅基光波導和普通單模光纖耦合時的模斑失配損耗和位置誤差損耗。為了滿足光模塊的出光功率要求，硅基光模塊需要更高功率的激光器光源，衍生出能耗和散熱控制方面的問題。為了應對這一挑戰，學術界和產業界開發出多種片上波導模斑轉換器[79-83]，將硅基光波導的模斑尺寸擴大到5～8 μm，獲得相對較好的效果。

另外，硅基光電子芯片通常將發射和接收多種功能集成在同一塊芯片，使得硅基光電子芯片的光學I/O端口數量較多，通常使用光纖陣列實現硅基光電子芯片上光信號的耦合，如 圖6（b）所示。封裝使用的光纖陣列精確度也對光學耦合封裝效果有較大影響。在使用光纖陣列封裝時，光纖陣列中光纖之間的間距一般為127 μm或者250 μm[84]。封裝使用的光纖陣列精確度也對光學耦合封裝效果有較大影響。目前夾持光纖的V形槽的加工精度不夠高，位置誤差很有可能超過模斑范圍，導致光纖陣列中的某一路甚至某幾路無法精確對準。一般需要加工后通過測試挑選出精度較高的光纖陣列，良品率較低。

圖6 硅基光電子芯片封裝上的挑戰

目前硅基光電子模塊中針對硅基光電子芯片的封裝成本大約要占到總成本的 10% 以上。需要開發新穎的高效率、低成本硅基光電子芯片耦合封裝方式，才能進一步發揮硅基光電子模塊的成本優勢[85-89]。

6 自動化設計

相對于成熟的電子設計自動化（electronic design automation，EDA）工具來說，硅基光電子芯片的設計工具目前正處于發展階段，硅基光電子芯片和微電子芯片不同，直角等非連續彎曲幾何形狀的變化會引起光的散射和反射損耗。波導和波導之間的連接要求也要平滑過渡，標準版圖文件所支持的多邊形與實際連續曲線之間存在細微的差異，可能會影響光路性能[90]。

在硅基光電子芯片的研發設計方面，由于硅基光電子單元器件的仿真比較復雜且工藝敏感，如果不執行全面的器件仿真（電磁、電光和熱特性）和工藝仿真（TCAD）[91]，很難確定版圖上的器件能否實現原理圖中所預設的功能。目前硅基光電子的設計依靠設計人員對所有細節的把控，自動化程度較低。隨著芯片集成度越來越高，硅基光電子芯片對自動化軟件的需求會越來越迫切。

國外EDA軟件公司在傳統EDA軟件的基礎上融合光學仿真與光器件工藝設計包（PDK）實現對硅基光電子芯片設計的支持，這一方向發展迅速[92]。而國內目前基本沒有專業從事EDA軟件開發的商業機構，尚處于起步階段。

7 工藝平臺

硅基光電子工藝流程基于標準CMOS工藝開發，國外的Intel、IMEC、IME、ePIXfab等已在硅基光電子芯片加工制造方面具有多年技術積累，而國內硅基光電子工藝平臺處于起步階段。重慶聯合微電子、中科院微電子所、上海微技術工業研究院等單位正在致力于8英寸硅基光電子工藝線的建設[49-50]。

硅基光電子芯片對工藝的要求和微電子有所不同，雖然目前硅基光電子芯片的工藝節點一般為0.13 μm，但是由于硅基光電子器件尺寸小、硅基光電子波導對側壁光滑度要求高等原因[93-95]，硅基光電子器件對工藝誤差非常敏感，幾納米的誤差都有可能完全改變器件的性能[96]。不同代工廠對硅基光電子芯片的工藝誤差控制能力不同，同一設計在不同的工藝平臺加工可能會具有完全不同的測試結果，硅基光電子芯片設計的跨平臺遷移能力弱，使得代工廠的PDK器件庫建設顯得更加重要。

代工廠提供的PDK器件庫是代工廠根據工藝條件反復優化后的結果，其性能指標相對準確可靠。但目前硅基光電子的晶圓代工廠PDK套件通常僅包含20～50個基本單元，且定制化程度低。不足以支撐復雜的硅基光電子芯片通信系統設計，部分單元器件需要客戶自行設計并進行多次流片優化，硅基光電子芯片的器件庫標準化建設仍有待完善[97]。同時，硅基光電子芯片設計公司也需要和代工廠深度合作，深入了解代工廠的工藝條件，合作開發并完善器件庫。

8 結束語

本文回顧了硅基光電子技術在光通信領域的應用和發展歷史，指出了硅基光電子技術對于光通信領域而言是新的歷史機遇，分析了硅基光電子技術目前的不足與挑戰。硅基光電子技術的高集成度、低成本、與CMOS工藝兼容等特點將推動光通信進一步發展，與此同時，硅基光電子技術在器件性能、封裝工藝和自動化設計等方面面臨挑戰，硅基光電子技術的進一步發展有待于在這些難點上取得突破。