摘要
自上世纪70年代以来，微电子技术的进步使芯片中的晶体管集成度呈指数增长，计算能力也大幅提高。但芯片间的数据传输速率并未跟上。为打破这个瓶颈，美国国防高级研究计划局（DARPA）开拓了硅基光电子技术研究，将光子器件与硅电子技术结合。本文讨论了DARPA 通过“电子与光子集成电路”（EPIC）计划等举措推动硅光子技术发展所起的作用。文中概述了芯片激光器、锗光检测器等关键成就，并重点介绍了计算、通信、传感等军用和商用应用。DARPA 的早期持续投资使美国在这个关键领域占据领先地位。
简介
过去50年来，摩尔定律预测的指数增长在芯片晶体管集成度方面一直成立。但随着芯片速度提高，芯片间连接已成为限制整体系统性能的瓶颈。基于铜的电连接已接近其速度和带宽极限。这对需要大量处理器与存储数据交换的高性能计算和人工智能应用尤其成问题。 为克服这些限制，研究人员采用了光子技术，用光而不是电子来传输数据。与电连接相比，光互连在带宽、速度、密度和能效方面具有巨大优势。将光子技术与硅电子直接集成，可以实现芯片间无缝的高速光连接。DARPA 早在2005年就认识到了这一潜力，开拓了硅基光电子技术研究。
DARPA的硅基光电子计划 2005年，DARPA启动“电子与光子集成电路”（EPIC）计划，开发与主流互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺兼容的光子器件和制造技术。目标是实现复杂的光子电路能在硅上制造，开创集成电子与光子芯片新类别[图1]。
图1. 电子-光子处理器在单个芯片上集成了超过7000万个晶体管和850个光子器件，提供逻辑、存储和互连功能。它由DARPA 几个计划支持开发，包括“光子优化嵌入式微处理器”（POEM）计划。
麻省理工学院（MIT）、加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）、加州大学洛杉矶分校（UCLA）等高校团队参与了EPIC计划。他们开发出先前硅上不可用的关键光子器件，包括混合激光器、锗光检测器、调制器和耦合器。这些器件实现了芯片上发光、检测、调制和导光，是光通信的基本功能。 该计划最终证明了完整的电子-光子系统可在硅芯片上集成。这证实了硅光子概念的可行性，并推动了后续DARPA计划在EPIC基础上进一步发展。
对国防系统的影响
EPIC计划下开发的硅光子平台已经应用于许多国防系统和用途:
导航与计时 - 硅基光电子芯片是先进导航系统的核心，提供精确的计时和定位数据。这支持在GPS不可用时仍保持稳定的定位、导航和计时（PNT）。
探测 - 应用硅光子技术的光检测与测距（LiDAR）传感器提供高分辨率三维映射，对无人驾驶车辆至关重要。光纤陀螺仪提供精确的旋转探测，用于制导系统。
通信 - 芯片级和板级光互连实现了雷达、电子战fare和卫星系统所需的高带宽、低功耗通信。 由于硅光子技术利用现有CMOS工厂，这些技术可以轻松制造和与传统电子器件集成。这加速了光子创新从实验室到实际国防系统的过渡。
商业影响
除军事系统外，硅光子技术也得到广泛商业应用:
数据中心 - 服务器和交换机之间的光输入/输出链路实现云计算和人工智能所需的海量数据快速传输。英特尔和Ayar Labs等公司正在开发这类产品。
电信 - 硅基光电子芯片实现互联网基础设施的高容量光纤传输与交换。思科和骁网对硅光子创业公司的收购表明该技术对电信的重要价值。
激光雷达 - 硅基光电子激光雷达进入汽车市场，为自动驾驶汽车提供增强的环境意识能力。Luminar Technologies是这个领域的重要商业化参与者。
DARPA早期持续的投资证明了硅光子技术的可行性，帮助美国在这个快速发展的领域获得领先优势。IDC预测硅光子市场将在2027年前超过30亿美元，在IT、通信、医疗、国防等领域拥有广泛应用。
图2. 英特尔和Ayar Labs开发的现场可编程门阵列（FPGA）板用光学接口取代了部分电子输入/输出接口。（图片来源:Ayer Labs）
结论
随着摩尔定律放缓，光子技术为通过电子与光的集成继续推进微系统性能提供了路径。DARPA的开拓研究计划确立了硅基光电子作为一种颠覆性新平台，将CMOS的批量制造与光学的速度与带宽优势结合。EPIC计划证明了这种方法的基本可行性，具有里程碑意义。 硅光子技术现已广泛应用于国防系统，并在商业领域得到广泛采用。硅光子技术起源于DARPA资助的大学研究，突出了政府在新兴技术领域持续投入的巨大价值。美国在这个领域的技术领先地位可以直接归因于DARPA的努力。
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