硅基光子进展还面临哪些设计和工艺挑战

早在上世纪九十年代，IT从业者就开始为半导体芯片产业寻找继任者。光子计算、量子计算、生物计算、超导计算等概念一时间炙手可热，它们的目标都是在硅芯片发展到物理极限后取而代之，以延续摩尔定律。

其中光子计算一度被认为是最有希望的未来技术。与半导体芯片相比，光芯片用超微透镜取代晶体管、以光信号代替电信号进行运算。光芯片无需改变二进制计算机的软件原理，但可以轻易实现极高的运算频率，同时能耗非常低，不需要复杂的散热装置。与电脑对应，设想中的光学计算机被称作“光脑”。

理想是美好的，现实总是残酷的。科学家和工程师很快就发现制造纳米级的光学透镜是如此困难，想在小小的芯片上集成数十亿的透镜远远超出了人类现有的技术水平。

2015年，随着IBM成功研制出实用化的硅光学芯片，这项已有二十年发展历史的技术重新泛起日出般的光芒，并逐渐成为一种商业可能。

2017年5月12日，来自中国电科38所，光电集成研究中心的曹国威和冯俊波为我们详细介绍了硅基光子的进展与面临的设计和工艺挑战。

硅光子技术是什么？

硅光子是基于硅和硅基衬底材料(如 SiGe/Si、SOI 等)，利用现有 CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，是应对摩尔定律失效的颠覆性技术。这种组合得力于半导体晶圆制造的可扩展性，因而能够降低成本。

在介绍中曹国威指出，硅对于1μm以上的波长透明，能够覆盖常用波段。硅工艺成熟，且易于大规模生产。高折射率差，利于器件紧凑小型化。

此外，硅材料还拥有诸多功能性，譬如，拥有良好的热光效应、载流子等离子体色散并能够与其他材料集成。可以说，硅光子技术有利于大规模生产，在尺寸方面非常具有竞争力。

硅光子从实验室走向市场

硅基光电领域迅速发展，在2015年迎来爆发式的增长。2010年前主要工作主要集中在实验室，00年前后，IBM和英特尔开始成立硅光子部门，2010年之后，开始面向市场，重视功能性集成系统，知名光通信器件公司开展硅光业务。

硅基光电子市场增长分析

2018年后将急剧增长。该市场的主要爆发点在数据通信市场，随着大数据以及互联网公司对于数据的需求越来越高，大数据和互联网公司将会成为硅基光电子市场的主要增长点。

但是在曹国威看来，传感、生命科学等市场对于硅基光电子的需求从很大程度上被市场所低估，在未来将会从一定程度上驱动市场增长，成为市场的潜在驱动力。

根据市场研究机构Yole 的数据，2015年全球硅光元件的市场规模还只有区区4000万美元，且拥有相关产品的公司不过Cisco, Intel, STMicroelectronics等寥寥几家。但到了2025年，预计硅光器件的市场规模将快速增长至15亿美元，2015至2025年均复合增长率高达45%，其中近90%用于数据中心。

微软、亚马逊和Facebook等互联网巨头之所以一直在大力推动该技术的发展，就是因为其数据中心每时每刻都在处理海量数据，其数据中心的性能被传统铜绞线数据传输带宽所限制。因此，这些互联网巨头希望硅基光电子技术能解决数据传输带宽问题从而提升数据中心的效率。

硅基光电子芯片将被部署在高速信号传输系统中，替换现有的铜绞线。如Intel发布了传输速率可达100Gbps的光通讯芯片，它支持波分复用技术让不同的芯片可以在同一条光缆中同时工作而互不影响。此类设备适用于数据中心与超级计算机，解决基于铜线的传统互联性能不足问题。

IBM、ST与NEC等主要芯片厂商也正在积极开发硅光子器件，国内也有不少公司在做硅基光通讯芯片，例如华为（之前收购了欧洲IMEC的硅基光电子芯片初创公司Caliopa）以及专注于CMOS光电子芯片的初创公司PhotonIC。

硅基光子的市场应用

电信、数据通信、多媒体、个人消费、测量传感、生物传感以及军事应用，其中，电信和数据连接占有其中的绝大部分。电信占据48%份额，数据通信占据34%份额。

国内外代表性公司

目前，尽管硅光子技术带来颠覆性的可能性仍不明朗，但众多器件和模块供应商已 将硅光子技术纳入其发展路线图，并开始增加研发资金，因为谁也无法承担忽视这项技 术所带来的后果。

国内外代表性公司如下：

Intel、IBM、HP、Acacia、Aurrion（Juniper）、Binoptics（MACOM）、Caliopa（HUAWEI）、Compass、Colorchip、Cyoptics（Avago）、Kotura（Mellanox）、Luxtera、Lightwire（Cisco）、Rockley Photonics、Skorpios、SiFotonics、TeraXion（Ciena）等

硅光子模块的最新进展：100G硅光模块

Luxtera宣布其采用了PAM4技术的100G CWDM2 QSFP光模块开始送样，2x100G PSM4模块也开始批量供货。

Acacia展示了Ball-Grid Array封装形式的200Gbps模块，为ASIC和PIC共同封装打下基础，将拥有更大的工作带宽和更好的热管理。

Mellanox展示了的100G PSM4模块产品线，并已送样200G QSFP28模块。

海信展示其100G PSM4 QSFP28光模块。

2016年，100G光模块市场高速增长，达到约11.5亿美元，基于硅光子技术的产品逐渐投入市场。

硅光器件最新进展——硅光APD for 25G PON

目前市场上的光纤到户容量，有几亿用户，这些用户未来都会升级，有些已经开始升级到10G-PON。SiFotonics能够提供类似成本结构的10G到100G芯片和组件技术，这会帮助推动现有用户升级到10G，并使得进一步演进到100G的路线变得现实清晰。

作为后10G-PON时代光接入技术国际标准的主要方案之一，100G-PON提供25G单波速率，100G单纤容量，为每用户提供1G以上超高带宽，将目前的GPON/EPON接入速度提升至少40倍。目前，100G-PON已在IEEE/FSAN/ITU-T等标准化组织中立项，预计未来3-5年内登场，然而其关键组件25G APD一直未成熟。

随着SiFotonics等公司开始推出硅光APD for 25G PON产品，这一市场也在逐渐走向成熟。

硅基光电子主要研究内容

目前，硅基光电子的主要研究内容主要分为以下六个方面：硅基集成光源方案、硅基光波导、高速调制器、光电探测器、耦合封装以及光电集成。

硅基集成光源方案

随着人们对大容量、高速和低成本的信息传播的要求越来越迫切, 近年来硅基光电子学得以蓬勃发展, 但硅基光源一直没有得到真正的解决, 成为制约硅基光电子学发展的瓶颈. 硅的间接带隙本质给高效硅基光源的实现带来很大困难, 实用化的硅基激光是半导体科学家长期奋斗的目标。

硅基光波导

对于以光纤为传输媒介的应用，平面光波导器件必须与光纤耦合。

目前，光波导分路器采用半导体工艺（光刻、腐蚀、显影等技术）制作。光波导阵列位于芯片的上表面，分路功能集成在芯片上。然后，在芯片两端分别耦合输入端以及输出端的多通道光纤阵列并进行封装。

硅基光波导主要面临的产品化问题：需要小尺寸、大带宽和低功耗的调制器。

高速解调器

硅基光电子需要小尺寸、大带宽、低功耗的调制器。

光电探测器

低暗电流，波导型APD仍是硅基光电子研究内容的难点。

耦合封装

今后封装的发展方向：需要低功耗、大带宽、低成本的自动化耦合封装技术

光电集成

光电集成方案：

光电集成方案主要分为:前端集成、后端集成和混合集成。

前端集成的优点在于能够实现Wafer Level的高度集成以及工艺无温度限制，但是其缺点也非常多，譬如，面积利用率不高，SOI衬底光/电不兼容，高昂的工艺开发费用，灵活性低和波导掩埋等缺点，都在一定程度上制约者前端集成的发展。

后端集成在实现Wafer Level集成和波导在顶部的同时具有相对于前端集成较少的缺点，但是优于其对于工艺温度（＜400℃）的缺点，使得其在制造方面非常难以把控。此外，后端集成需要的S-C波导制备也非常困难。

混合集成，顾名思义，集合了前端集成和后端集成的诸多优点：无工艺温度限制，灵活性高，多层/多材料集成可能，波导在顶部。同时，该方法的缺点也非常少。

硅光子设计面临的挑战

目前的设计流程还比较分立，包含器件仿真、系统仿真、版图设计和制备测试四个阶段。

但是曹国威指出，目前的硅基光电子在设计流程上还存在很多问题：缺少紧凑模型、缺少标准链路模型、缺少必要的验证手段、软件功能单一且缺少交互、无自动化设计以及设计与工艺脱节是当前面临的主要问题。

这些问题带来的主要问题就是整个设计过程效率低下，设计可参考性不高。

从产业链角度看，工艺平台也是硅基光电子的一大限制。虽然硅光电子和传统半导体集成电路工艺有接近的地方,目前多数厂商研发过程中都在借用CMOS的平台，但实际上硅光子很多的一些加工步骤跟CMOS是有区别的，特别是在混合集成之后。硅光子产品若要真正的实现高性能，就必须借助专门的生产线。其中的资本投入也会成为限制硅光电子发展的因素。

设计师和工艺线的桥梁：PDK

如何解决硅光技术在工艺中遇到的问题呢？曹国威指出，PDK将是这一过程中最为重要的工具。

光电子的工艺设计套件（PDK）与传统半导体业很相像。光电子设计围绕的是新的器件，而设计者还是要做DRC，LVS，光刻模拟等等，这些都与CMOS设计流程很像。随着硅基光电子的兴起，硅基光电子器件的集成度和性能甚至可能会以类似摩尔定律的形式指数上升。

一个好的PDK应该能够帮助用户覆盖设计中需要的所有相关信息并拥有更多与软件配套的自动化配置。好的PDK能够保证设计的有效性，避免用户产生不必要的错误，减少无谓的迭代。

PDK包含的内容主要包括，基于工艺线的工艺说明，设计规则，已验证的器件库以及芯片与封装模版。

国内工艺平台

目前国内工艺平台主要分为三种选择：

科研线：可定制，但工艺线大多能力不全，存在稳定性和重复性等问题。

中试线：存在IP问题，工艺自由度问题以及流片周期问题。

工业线：研发成本高、工艺需要开发（视产能和订单情况而定）

流片两大渠道：imec、IME

比利时硅光子工艺平台IMEC：通过工艺和设计优化，IMEC改善了基于硅光的行波MZ调制器和环形调制器的工作速度，可以支持50Gbps MRZ线路速率。此外，专门开发了C波段的GeSi 电吸收调制器支持50GHz以上的电光带宽，支持NRZ调制在56Gbps以上速率的工作。所有的调制器可以在2Vpp或者更低的电压驱动下工作，支持与高功效的CMOS驱动电路的配合。

新加坡IME：利用IME在纳米技术领域和硅微电子领域的技术实力，科学家们在CMOS平台的硅光子芯片研发上获得明显进展，包括高速光互连器件，发光器件，低损耗光耦合，波分复用，高速光电调制等。

曹国威指出，国内目前的主要问题就是需要打造国内自己的流片平台！

目前国内已经建立了首家硅光流片平台，该平台主要基于微电子所的8英寸CMOS线，由中科院微电子所、中国电科38所、中科院半导体所、武汉邮电科学院联合开发，现已对外提供无源硅光MPW服务，并已具备有源流片条件。

Acaica带来的启示

硅光技术目前最成功的公司之一就是Acacia，2014年Acacia的销售额1.462亿美元，同比增长了88.3%。2015年前3个季度销售额1.705亿美元，同比增长62%。按这个速度增长，5年后Acacia一家的销售额就能接近10亿美元。更重要的是2015年前9个月，Acacia的净利润率已经超过10%，而且还在不断增高中。

目前Acacia已经能够提供较成熟的100G硅光解决方案，广泛应用于数据中心、网络运营商等，曹国威认为，Acacia成功的主要原因在于其能够树立明确的目标，拥有独特的想法。这也是目前国内厂商需要学习的地方，为国内企业的发展提供了非常好的思路

结束语

最近几年,硅基光电子器件研究非常活跃,这主要是由信息处理技术对这种器件的需求而驱动的,例如迅速发展光纤通信技术迫切需要硅基集成电路,甚大规模集成电路的高互连密度带来的技术上的困难和带宽限制,也可以通过发展硅基集成电路来解决。

近年来，硅基光电子技术已经取得了高速发展，走硅基光电子的集成路线已经成为了业界共识。硅基光电子技术想要取得大的发展，还需要市场牵引，大规模的数据中心将是这一技术最大的发展催化剂。但是，我们应当认识到，硅基光电子技术的发展还存在许多问题，目前在软件平台、工艺平台和市场应用上都需要多加发展，国内企业在这些方面还有许多需要学习，才能促进整个产业的良性发展！ （文/刘燚）

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