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最新 Nature Communications 硅基光电子技术路线图出炉

摘要

本文概述了硅基光电子技术路线图，解析了1月25日刊载于Nature Communications的Roadmapping the Next Generation of Silicon Photonics [1]，探讨在电光调制、高速调制器、相位移动器、激光集成和雪崩光电探测器方面的技术进步。此外，从系统角度审视硅基光电子技术，解决集成挑战，并强调在规模扩展、材料创新、能源效率和应用多样化方面的未来方向。电信、数据中心、生物医学设备和量子计算等领域的实际应用展示了该技术的多功能性。最后强调了硅基光电子技术在塑造下一代计算和通信系统中的关键作用，关注其正在进行的发展和未来潜在影响。

硅基光电子技术回顾

硅基光电子技术起源于克服电子数据传输的局限性，之后迅速发展，利用成熟的硅半导体制造基础设施。这种融合提供了诸多优势，包括更低的功耗、更高的数据带宽，以及与现有基于硅的电子设备集成的能力，使其成为推进通信和计算技术的基石。

图1 | 不同代硅基光电子集成电路（PIC）上组件数量的时间线（小规模、中等规模、大规模和超大规模集成，分别为SSI、MSI、LSI、VLSI）。组件是与其他单元组合以构建电路的单元格，如波导、定向耦合器、加热器、光栅耦合器等。异质硅光子学比混合光子学晚大约两年。作为比较，还展示了基于InP的集成光子学的数据。一般来说，高速调制器的数量越多，规模扩展越具挑战性[2] [3]。

图2 | 描绘LSI硅基光电子系统的示意图，展示当前和未来技术。a. WDM收发器：半导体锁模激光器（SMLL）提供多波长连续波（CW）光到一组紧凑的WDM能力调制器和滤波器。反射控制电路限制激光器的背向反射。高速光电探测器（PDs）执行O/E转换。b. 电流随后通过跨阻抗放大器（TIAs）和限制放大器放大。模数转换器（ADCs）用于数字化信号进行进一步的数字信号处理（DSP）。监测PDs用于控制和稳定波长、相位移动和温度。数模转换器（DACs）和驱动器用于数字信号的E/O调制。动态随机存取存储器（DRAM）提供大内存访问。微控制器（μC）也可以用来卸载部分数字处理。c. LIDAR：可调激光器提供频率啁啾光到一组相位移动器、循环器/双工器和用于同频/异频调制连续波（FMCW）测距和探测的相干前端的网络。通过光相位阵列（OPAs）或焦平面阵列（FPAs）进行光束控制。延迟线干涉仪有助于校准接收的拍频，并通过直接控制可调激光器或调制器及各种形式的DSP纠错来支持啁啾线性化 [1]。

硅基光电子技术的发展

其中关键的包括：

1.电/光调制技术：硅基光电子技术中的电光调制器的进展，使电子信号转换为光信号的效率更高。

2.高速调制器和相位移动器：高速调制器的发展对提高数据传输速率很重要。相位移动器，在控制光子电路中光的相位方面也取得了显着的改进。

3.激光集成：直接在硅芯片上集成激光器是一个重要步骤，使得光子系统更紧凑、更高效。

4.雪崩光电探测器：这些组件对将光转换回电子信号至关重要，经过改进，提高了光子系统的灵敏度和速度。这些技术发展是硅光子学日益增长的能力和应用的基础，推动它成为电信、计算和传感等各个领域的关键技术。

表1 | 比较不同调制器拓扑 [1]

表2 | 根据在商业CMOS工厂集成的准备情况，以及功率、性能（截至2023年）和面积（PPA）指标比较不同调制材料和机制 [1]

图3 | 将激光器附加到硅基光电子PIC的技术。a. 传统激光器隔离器（ISO）-光纤-PIC与自由空间光学（FSO）。b. 混合2.5D与FSO。c 混合2.5D与光子线缆绑定（PWB）。d. 混合3D（翻转芯片或转移打印）。e. 异质（直接键合或转移打印）。f. 单片（异质外延） [1]。

表3 | 按PPA指标（截至2023年）、成本、测试、封装样式和适用性比较将激光器附加到硅PIC的不同技术 [1]。

从系统角度看硅基光电子技术

硅基光电子技术代表的不仅仅是关于单个组件；是关于这些组件如何在更大的系统中相互作用。这种系统视角侧重于将光子学与电子学集成，解决热管理、电子-光子信号同步和能源效率等挑战。它是关于创建光基和电子组件之间的无缝接口，这对于像数据中心这样需要有效处理和传输大量数据的应用非常重要。硅基光电子的生态系统也在不断发展，强调标准化流程和接口，以便更容易地集成到各种平台。

图4 | 比较将PIC附加到电子IC（EIC）的不同技术。a. 电子线束键合（EWB）并排。b. 2.5D翻转芯片并排或堆叠。c.混合3D TSV（穿硅孔）。d. 异质3D TOV（穿氧化层孔）。e. 单片电子光子IC（EPIC） [1]。

表4 | 按PPA指标（截至2023年）、成本、测试可能性、封装样式和适用性比较将PIC附加到EIC的不同技术 [1]。

未来方向和挑战

随着硅基光电子技术的不断发展，出现了几个未来方向和挑战：

1.规模和集成：继续缩小光子组件的规模并与电子技术集成是关键焦点。涉及克服诸如在纳米级别对齐光学和电子组件的挑战。

2.材料创新：探索可以与硅集成以提高性能的新材料，如混合激光源和先进的调制器。

3.能源效率：随着系统变得更复杂，降低功耗仍是一个关键挑战。

4.拓宽应用：将硅基光电子技术的应用扩展到电信和数据通信之外的领域，如生物医学应用、传感和量子计算。

5.标准化和可制造性：确保硅基光电子技术的进步可以转化为成本效益高、可制造的解决方案，广泛采用。解决这些挑战对于硅基光电子技术的持续增长和成功很重要，使其成为高速数据传输和处理的关键技术。

表5 | 通信、计算、信号处理和传感等各种硅基光电子技术应用的主要技术挑战（截至2023年）[1]

实际应用

硅基光电子技术在各个领域找到了多样化的应用，展示其多功能性和影响：

1.电信：提高光纤网络中的数据传输速度和带宽。

2.数据中心：在高性能计算环境中提高数据处理能力和能源效率。

3.生物医学设备：为非侵入性医疗诊断启用先进的生物传感技术。

4.汽车和航空：为自动驾驶汽车和飞机的LiDAR系统做出贡献。

5.量子计算：在开发可扩展量子计算系统中发挥作用。

结论

硅基光电子技术站在技术革命的前沿，提供无与伦比的数据传输速度和集成能力。从新颖的想法发展成为现代计算和通信系统中的关键组成部分，凸显了其潜力。硅基光电子技术的未来充满希望，持续的研究旨在克服现有挑战并扩大其应用。随着这项技术的成熟，在塑造先进计算和通信系统的格局中发挥越来越重要的作用。

参考文献

[1]Shekhar, S., Bogaerts, W., Chrostowski, L. et al. Roadmapping the next generation of silicon photonics. Nat Commun 15, 751 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-44750-0

[2]Margalit, N. et al. Perspective on the future of silicon photonics and electronics. Appl. Phys. Lett. 118, 220501 (2021).

[3]Khanna, A. et al. Complexity scaling in silicon photonics. In Optical Fiber Communication Conference and Exhibition (OFC), 1–3 (2017).