硅基光子技术发展的特点、机遇与挑战

杨建义　王根成

摘要：通信容量的爆炸式增长促进了光子技术的发展，认为以硅材料为基底的硅基光子器件与集成技术具有低功耗、高速率、结构紧凑等突出优势，将成为解决信息网络所面临的功耗、速率、体积等方面瓶颈的关键技术。通过与微电子行业的发展进行对比，分析了硅基光子发展的特点及关键技术挑战，并给出了对其未来发展机遇的思考。

关键词： 硅基光子；光子集成；光电混合集成；光通信

Abstract： The explosive growth in telecommunication capacity promotes the development of silicon photonics. To break the bottlenecks （power consumption， bandwidth and volume） of current information networks， several outstanding advantages of silicon photonics including low power consumption， high speed and very compact size are introduced in this paper. Comparing with the development of the microelectronics industry， the features and the major challenges of silicon photonics are analyzed， and the opportunities in the future are also pointed out.

Key words： silicon photonics； integrated optics； optical communication； opto-electronic hybrid integration

硅基光子的研究可以追溯到20世紀80年代[1]，受限于当时的硅基制作工艺，硅基光子的发展十分缓慢。最近10多年来，该领域呈现出爆炸式增长，并被视为一个颠覆性的平台技术。人们期待着硅基光子在诸多应用领域发挥出革命性作用，目前首先聚焦在了数据中心、高性能计算和传感等领域。

微电子的发展得益于微电子工艺和集成电路设计的发展，其中的一个关键是设计与制造的分离。研究人员利用多项目晶圆（MPW）服务，可以很快地通过大规模集成电路实现前沿开创性工作，这有利地推动了微电子技术的发展和应用。培养年轻的学生工程师使用MPW制作工具和工艺，让他们自己去设计前沿电路，并将其投入到无厂制作，这是许多微电子公司取得成功的原因[2]。

当前，硅基光子就像20世纪70年代的微电子技术，正处于前期扩张阶段，但是硅基光子芯片在制作方面存在一个巨大的优势：大规模生产且高度可控微电子芯片的硅代工厂已经存在。……