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摘要

2005年，美国国防高等研究计划署（DARPA）在其“电子与光子集成电路”（EPIC）项目中提出一个远大的愿景，即在硅芯片上实现光子芯片与电子芯片的集成。该项目的目标是在与CMOS工艺兼容的工艺中开发高性能纳米尺度的光子器件，并与同一硅芯片上的电子器件实现集成，在光电子领域开启新的应用。本文回顾18年前DARPA制定的EPIC项目目标和进展。DARPA准确预测了许多技术发展趋势，特别是在硅芯片上制作纳米光子器件和光电集成电路的能力。但是，他们低估了CMOS工艺继续缩减至10纳米以下的可能性。总体而言，DARPA具有前瞻性的EPIC项目为当今硅光子芯片技术的蓬勃发展奠定了基础。

导言

2005年，美国国防高等研究计划署启动了一个雄心勃勃的“电子与光子集成电路”（EPIC）项目，目的是在硅芯片上实现光子芯片与电子芯片的集成[1]。该项目建立在摩尔定律推动下硅电子芯片工艺的迅速发展基础之上，同时利用了高折射率对比的硅/氧化硅波导所具有的实现高性能纳米光子器件的潜力。当时，在一片量产芯片上集成光子与电子仍是个梦想。令人惊讶的是，18年后的今天，DARPA早先的许多预测已经成为现实，硅基光电子芯片技术正在蓬勃发展。本文回顾了EPIC项目的原始目标和愿景，并评估其预言在近20年后今天的准确性和影响。

EPIC项目概述

EPIC项目的总目标是实现“在硅芯片上无缝集成电子与光子”[1]。该项目建立在摩尔定律推动下硅CMOS工艺布图特徵尺寸的指数级缩小基础之上（图1）。但是，DARPA认识到光子芯片技术远远落后。2005年，硅电子芯片工艺已经达到90纳米节点，但光子器件的尺寸还要大几个数量级，因为最小化光传输损耗和急剧弯曲光线仍存在挑战。DARPA看到使用先进CMOS工艺线形成的超平滑硅表面为实现纳米光子器件提供了机遇，并有望与同一硅片上的电子芯片实现集成。这代表着从使用多种材料和工艺实现光电功能，向统一的硅平台转变。

图1. 2005年CMOS工艺与光子芯片技术发展状况对比（引自[1]）

2005年EPIC项目的具体技术目标有三个[1]：

实现这些目标将为光电子学领域打开新应用和提升功能的大门。例如，与光调制器同片集成电子驱动芯片可以提高速度并降低功耗。光电集成也可以实现更好的片上时钟和传感器。但是2005年要实现这一愿景还面临重大挑战。

CMOS工艺缩放 - DARPA的正确和错误预判

DARPA认识到先进CMOS工艺可以实现平滑的硅表面，这是降低光损耗的关键。2005年，最先进的CMOS工艺节点为90纳米，DARPA预测其将在10纳米附近遇到基础极限[1]。但实际上，到 2023年商业量产的CMOS工艺继续缩小到了3纳米甚至更低。一方面，这种额外的缩减提高了硅表面质量，使低损耗纳米光子器件成为可能。另一方面，多重曝光等新技术被引入来继续突破极限。总体来说，DARPA正确预测到CMOS工艺缩减能够帮助光子芯片发展，但低估了工艺能够继续推进的程度。

纳米光子器件的进步

EPIC项目的首要目标是研发与CMOS工艺兼容的高性能纳米光子器件。DARPA针对使用高折射率对比的硅/氧化硅波导实现波长级的器件。EPIC项目确定了关键光子器件，包括波导、调制器、光检波器、激光器和波长转换器，这些光子器件在过去18年的学术研究中几乎全部实现了大幅性能提升。低于1 dB/厘米的波导损耗已经很常见，可以实现复杂的纳米光子集成电路。研究者报告了带宽超过50 GHz的高速硅光调制器。与硅片集成的铟镓砷（InGaAs）光检波器带宽达到GHz已相当成熟。在硅基激光器方面也取得了巨大进展，例如使用混合硅与III-V材料的集成方法。利用硅的非线性光学效应也实现了波长转换和其他功能。剩下的主要挑战是单片集成的电激发激光器，但在实现DARPA最初的愿景方面已经取得了巨大进展。

光电集成电路

EPIC项目的第二个主要目标是在硅平台上集成纳米光子器件与电子芯片，实现光电集成电路。2005年，这仍然是一个遥不可及的梦想。但今天，各种光电集成电路已经在研究和商用环境中实现。例如，现在有几十家公司提供硅基光电子收发器，集成了光调制器、光检波器与CMOS电子芯片。这些光电收发器已经在数据中心取代了传统的光模块。DARPA在硅平台上融合电子与光子的优势的愿景已经成为现实。

更广泛的影响

在DARPA的EPIC项目推动下，硅基光电子芯片技术已经从2005年的学术概念转变为如今的数十亿美元产业。EPIC项目不仅推动了早期的研究进展，还为这个转换奠定了基础。硅基光电集成电路现在应用于数据中心、5G网络、自动驾驶汽车等新兴应用。这突显出具有前瞻性的DARPA项目对开发能够造福社会的新技术的巨大推动作用。尽管仍存在挑战，但硅光子芯片技术正在实现DARPA在一个低成本、大容量硅平台上实现光电融合的愿景。

总结

2005年，DARPA的EPIC项目为硅基光电子芯片与光电集成电路制定了宏伟的技术路线图。在许多方面，DARPA的预见性十分惊人，准确预测了在硅芯片上制造纳米光子器件和光电集成电路的可能性。在过去18年中，关键的技术突破奠定了EPIC项目的基础。一些预测比如CMOS工艺难以继续缩减被证明过于悲观。但总体上，DARPA对硅光芯片的前瞻性愿景已经成为现实，开启了硅平台上实现光电融合的新时代。今天的硅光芯片技术正在DARPA近20年前制定的远见路线图指引下蓬勃发展。

参考文献：

[1] J. Shah. “DARPA's EPIC Program：Electronic and Photonic Integrated Circuits on Si.” IPR 2005.