文 / 徐芳露 , 司馬朝坦，沈力

華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心，光學(xué)與電子信息學(xué)院

一. 引言

硅光芯片基于絕緣襯底上硅（Silicon-On-Insulator，SOI）平臺(tái)， 兼容互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS） 微電子制備工藝，因此同時(shí)具備了 CMOS 技術(shù)超大規(guī)模邏輯、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢(shì)。

硅光芯片中芯層硅與包層二氧化硅的折射率對(duì)比度大，能將光限制在很小尺寸的芯片中。使用共封裝光學(xué)技術(shù)（Co-Packaged Optics，CPO）可以將光芯片與存儲(chǔ)、計(jì)算電路共同封裝，減小光電部件之間的距離，實(shí)現(xiàn)光電一體化，這將在進(jìn)一步減小體積、功耗、單位速率成本的同時(shí)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、遠(yuǎn)程醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)、電子商務(wù)、5G 通信的不斷發(fā)展，全球的數(shù)據(jù)流量在 2016 年至 2021 年間爆發(fā)式地增長(zhǎng)了 200%。在超高數(shù)據(jù)容量的驅(qū)動(dòng)下，傳統(tǒng)的電芯片制程逐漸接近 10 nm 尺寸，CMOS 工藝即將遇到物理極限，導(dǎo)致摩爾定律失效。業(yè)界普遍認(rèn)為硅光芯片有機(jī)結(jié)合了成熟微電子和光電子技術(shù)，既減小了芯片尺寸，降低成本、功耗，又提高了可靠性，有望成為“超越摩爾”的高速信息引擎。 ?

二. 發(fā)展現(xiàn)狀

光模塊作為光通信系統(tǒng)中的核心器件，其市場(chǎng)規(guī)模逐年呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。根據(jù) Yole 的數(shù)據(jù)，全球光模塊市場(chǎng)規(guī)模 2020 年約為 96 億美元，預(yù)計(jì)到 2026 年至少翻一番。在傳輸速率方面，Omdia預(yù)測(cè)未來(lái)幾年隨著帶寬需求的不斷提升，100?Gb/s、200?Gb/s、400 Gb/s 光模塊仍將保有最大的市場(chǎng)占有量，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有量產(chǎn)的 800 Gb/s 光模塊，預(yù)計(jì)將在 2023 年實(shí)現(xiàn)商用，在 2025 年實(shí)現(xiàn)規(guī)模部署。

圖1 硅光模塊結(jié)構(gòu)[1]

如圖 1 所示，光模塊由電芯片和光芯片構(gòu)成，其中光芯片根據(jù)功能分為：光發(fā)射芯片、接收芯片、收發(fā)集成芯片、探測(cè)器陣列芯片、調(diào)制器陣列芯片等等。過(guò)去光芯片由分立器件例如Ⅲ - Ⅴ族半導(dǎo)體激光器芯片、高速電路芯片、基于 PLC（平面光波導(dǎo)）平臺(tái)的無(wú)源光器件組裝而成，光器件之間由光纖或自由空間元件連接，盡管性能較好但龐大的總體積使得其應(yīng)用場(chǎng)景較為受限，基于此，集成光電芯片的概念應(yīng)運(yùn)而生。得益于激光器增益材料，早期以Ⅲ - Ⅴ族材料——磷化銦（InP）為襯底的集成光芯片得到了迅速發(fā)展。InP 基100 Gb/s、400 Gb/s 的光模塊已經(jīng)較為成熟，Infinera 公司已研發(fā)出 1.12 Tb/s InP 基光模塊。但 InP 的原材料 In 是稀有元素，InP 光芯片成本難以降低，且通信光波在 InP 光芯片中的損耗較大。

圖2 硅光模塊在總光模塊市場(chǎng)份額的占比預(yù)測(cè)[2]

相比于 InP 光芯片，以硅為襯底的光芯片——硅光芯片以材料成本低廉、無(wú)源器件的易實(shí)現(xiàn)性、低功耗、高集成度、與 CMOS 工藝相契合等特點(diǎn)受到了眾多企業(yè)、學(xué)者的關(guān)注。圖 2 所示為 Lightcounting 公司預(yù)測(cè)的硅光模塊在總光模塊市場(chǎng)份額的占比預(yù)測(cè)，可以看出硅光模塊市場(chǎng)占比率將會(huì)逐年提升。自 2010 年 Intel 開(kāi)發(fā)出首個(gè) 50 Gb/s 超短距硅基集成光收發(fā)芯片后，硅光芯片開(kāi)始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。根據(jù)行業(yè)調(diào)查機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)，2020 年硅光模塊市場(chǎng)規(guī)模為 7.4 億美元，到 2024 年僅 100?Gb/s-400 Gb/s 硅光模塊市場(chǎng)容量即可達(dá)到 55 億美元，在整個(gè)光通信模塊市場(chǎng)占比達(dá)到 1/3 以上。目前 100 Gb/s 硅光模塊已成熟應(yīng)用，400 Gb/s 硅光模塊正在進(jìn)入規(guī)模化商用階段，800 Gb/s 硅光模塊已研制成功，下一步將向著 1.6 Tb/s 發(fā)展。一般而言，為了提升傳輸速率，通常采用以下三種方案：

1）提高激光器的調(diào)制速率，以提高傳輸信號(hào)的單通道速率；

2）采用 PAM4、QPSK、16QAM、64QAM等高階調(diào)制格式，可以在波特率不變的情況下提升比特率；

3）采用時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用等復(fù)用技術(shù)。 以上三種方案的應(yīng)用對(duì)硅光芯片中核心的光器件性能也提出了更高的要求。 ?

三. 硅光芯片和模塊的關(guān)鍵技術(shù)

硅光模塊按照功能主要分為光發(fā)射和接收模塊，將發(fā)射、接收光芯片與電驅(qū)動(dòng)芯片集成在一起則構(gòu)成收發(fā)一體化光模塊。光模塊中的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程為：發(fā)射端將輸入的電信號(hào)處理后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片電驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)射出調(diào)制后的光信號(hào)，隨后光信號(hào)經(jīng)過(guò)波導(dǎo) - 光纖耦合器進(jìn)入光纖中傳輸；傳輸完成后再次耦合進(jìn)接收光模塊的接收光芯片中，由光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，最后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分析處理。硅光芯片中的光器件分為有源器件和無(wú)源器件，有源器件包括激光器、調(diào)制器和光電探測(cè)器；無(wú)源器件包括平面波導(dǎo)、光柵或邊緣耦合器等?；谶@些元器件，可以構(gòu)成光發(fā)射 / 接收芯片，并開(kāi)展陣列化的應(yīng)用，最終通過(guò)光子集成技術(shù)（Photonic IntegratedCircuit, PIC）來(lái)實(shí)現(xiàn)硅光芯片。根據(jù)集成的元器件是否采用同種材料制成，光子集成可以分為混合集成和單片集成。當(dāng)前的硅光器件依然處于初步的集成階段，從異質(zhì)材料集成向單片集成演進(jìn)。如圖 3 所示。

圖3 硅光模塊集成方案??

核心硅光芯片器件

（1）硅基激光器

硅基激光器指集成在以硅為襯底的光芯片上的激光器，常用的硅基激光器按照結(jié)構(gòu)劃分主要有：垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL）、法布里 - 珀羅腔激光器（Fabry-Perot，F(xiàn)P）、分布式布拉格反射激光器（Distributed Bragg reflector，DBR）、分布式反饋激光器（Distributed Feedback，DFB）和電吸收調(diào)制激光器（Electro absorption modulated distributed feedback laser，EML）。

VCSEL成本最低，但發(fā)光角度大、輸出光場(chǎng)為多模，這限制了其只能在 500 m 的短距離場(chǎng)景下使用。在 FP 激光器中內(nèi)置布拉格光柵，對(duì)輸出光進(jìn)行更精準(zhǔn)的濾波，則構(gòu)成了 DBR 或 DFB 激光器，濾波后形成單縱模輸出，可以將傳輸距離從 20 km提升至 40 km 以上，應(yīng)用在傳輸網(wǎng)、無(wú)線基站、數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)。DFB 和 DBR 激光器在窄線寬、高邊模抑制率具有相似的特性，但 DFB 激光器具有較大的無(wú)跳模調(diào)諧范圍，調(diào)諧系數(shù)更一致，光譜特性均一性更好；DBR 的光柵并不是分布在整個(gè)有源區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)更大的電流輸入，因此輸出功率會(huì)比 DFB 大一些，但會(huì)引入較大的功率 、電流噪聲、造成功率抖動(dòng)。這三種激光器均使用直接調(diào)制方式，即通過(guò)改變激光器電壓將電信號(hào)加載至光波上。

EML 由激光器與外調(diào)制器構(gòu)成，例如電吸收調(diào)制器（Electro Absorption Modulator ，EAM）：通過(guò)控制電吸收芯片的電壓將電信號(hào)加載至激光器不間斷輸出的光波上。這種加載信號(hào)的方式被稱為外調(diào)制技術(shù)。該方式大大提高了激光器的壽命、穩(wěn)定性、調(diào)制效率，降低了啁啾，更適合長(zhǎng)距傳輸，但成本較高，主要在高速遠(yuǎn)距骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)中使用。對(duì)于超長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸，需要使用密集波分復(fù)用技術(shù)（Dense Wavelength Division Multiplexing ，DWDM）、高階信號(hào)調(diào)制格式等方式擴(kuò)容，這需要光源擁有多個(gè)波長(zhǎng)、小波長(zhǎng)間隔、窄線寬等特性，因此對(duì)硅基集成可調(diào)諧窄線寬激光器的優(yōu)化也十分重要。

目前硅基激光器的制作材料主要以 III-V 族半導(dǎo)體材料為主，包括銻化鎵 (GaSb）、砷化鎵（GaAs）、磷化銦 (InP)、硫化鋅 (ZnS) 等。因此如何實(shí)現(xiàn)Ⅲ - Ⅴ族激光器與硅光芯片的耦合是關(guān)鍵問(wèn)題，主流的工藝方案有片上倒裝焊集成、片上異質(zhì)鍵合集成和片上直接外延生長(zhǎng)集成。片上倒裝焊將制作好的激光器倒裝焊在已含有硅光器件的硅光芯片上，這種工藝成本低且比較成熟，但貼裝的精度需求高、時(shí)間成本較大、集成度低。片上異質(zhì)鍵合集成根據(jù)是否使用粘合劑分為直接鍵合和粘結(jié)鍵合，將沒(méi)有結(jié)構(gòu)的Ⅲ - Ⅴ族材料直接“貼合”在已加工好硅光器件的硅光芯片上，再將 III-V 族材料塊體加工為激光器，這樣制作的激光器發(fā)出的光可通過(guò)倏逝波耦合的方式高效耦合進(jìn)硅光子回路。如圖 4(a)?[3]為片上異質(zhì)鍵合激光器的端面圖，圖 4(b)[4]為DFB激光器的結(jié)構(gòu)。

圖4 (a) III-V /Si 異質(zhì)鍵合激光器端面結(jié)構(gòu)[3]?(b)DFB 激光器結(jié)構(gòu)[4] 該方案制作工藝較為復(fù)雜、輸出功率不高，位置準(zhǔn)確性主要由刻蝕精度確定，目前 Intel 已利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)異質(zhì)集成硅光芯片的大規(guī)模量產(chǎn)。直接外延生長(zhǎng)集成技術(shù)是對(duì)制作好的硅晶圓開(kāi)槽，直至單晶硅襯底，而后使用選取外延的方式在單晶硅襯底上生長(zhǎng) III-V 族材料，此工藝也被叫做單片集成技術(shù)。由于硅與 III-V 族材料之間材料特性例如晶格、熱膨脹系數(shù)、極化的不同，易導(dǎo)致生長(zhǎng)的 III-V 族材料缺點(diǎn)密度大，因此直接外延生長(zhǎng)集成技術(shù)的工藝難度大，但損耗低、易于封裝、可靠性強(qiáng)、集成度高，被認(rèn)為是未來(lái)實(shí)現(xiàn)硅光大規(guī)模生產(chǎn)的一種最可行的方案。

（2）硅光調(diào)制器

隨著通信速率的進(jìn)一步提升，單通道調(diào)制速率 50 Gb/s 成為直接調(diào)制技術(shù)的瓶頸，因此 EML 需求越來(lái)越多，外調(diào)制器也成為研發(fā)重點(diǎn)之一。在數(shù)據(jù)中心對(duì) 400 Gb/s 及以上光網(wǎng)絡(luò)連接的需求上 , 硅光模塊較傳統(tǒng)光模塊更具有優(yōu)勢(shì)。集成在硅光芯片上的調(diào)制器——硅光調(diào)制器，根據(jù)調(diào)制機(jī)制分為電光調(diào)制器和熱光調(diào)制器，通信光芯片中一般使用調(diào)制速率更大的電光調(diào)制器。硅光調(diào)制器根據(jù)調(diào)制原理分為基于等離子色散效應(yīng)的電折射率調(diào)制和基于弗蘭之——克爾德什效應(yīng)或量子限制斯塔克效應(yīng)的電吸收調(diào)制。電流通過(guò)橫向或縱向 PN 結(jié)、之字形、交趾形等電學(xué)結(jié)構(gòu)注入，光學(xué)結(jié)構(gòu)大多使用有兩種：微環(huán)諧振腔和馬赫曾德?tīng)柦Y(jié)構(gòu)（Mach-Zehnder Modulator ，MZM），如圖 5 所示?[5][6]。

圖5 (a) III-V /Si 混合集成 MZM 調(diào)制器[5]?(b) 微環(huán)調(diào)制器結(jié)構(gòu)[6]

基于微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)的硅光調(diào)制工作原理為：電流輸入改變波導(dǎo)折射率，引起微環(huán)諧振腔的諧振波長(zhǎng)變化，從而對(duì)指定波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制。對(duì)于基于 MZM 光學(xué)結(jié)構(gòu)的硅光調(diào)制器而言，電致波導(dǎo)折射率變化后，不同的波導(dǎo)折射率使得 MZM 結(jié)構(gòu)兩臂中的光束產(chǎn)生相位差，兩束不同相位的光束合束后發(fā)生干涉，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制。國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心肖希等人利用摻雜優(yōu)化技術(shù)使硅基 MZM 調(diào)制速率高達(dá) 60 Gb/s。硅光調(diào)制器集成度高、消光比較高、損耗低、驅(qū)動(dòng)電壓小、但線性度差，因此目前大多使用混合集成調(diào)制器，通過(guò)異質(zhì)鍵合、外延等技術(shù)，將成熟的鈮酸鋰調(diào)制器、InP 調(diào)制器、有機(jī)物調(diào)制器集成到硅基上，可以實(shí)現(xiàn)微米量級(jí)大小，調(diào)制效率可以達(dá)到全硅調(diào)制器的 5 倍以上。 綜合看來(lái)，硅光調(diào)制器技術(shù)較為成熟，基于硅基襯底的混合集成調(diào)制器可以進(jìn)一步提高調(diào)制器的性能。

（3）光電探測(cè)器

光電探測(cè)器將接收的高速光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，但由于硅 1.1 μm 以上的光波透明，單體硅無(wú)法制作探測(cè)器。目前集成在硅基片上的高頻探測(cè)器主要有混合集成 III-V 族和硅鍺混合探測(cè)器，圖 6[7]?中展示的探測(cè)器為垂直 PN 二極管結(jié)構(gòu)。混合集成 III-V 族探測(cè)器耦合效率高、靈敏度高、響應(yīng)快；硅鍺探測(cè)器性能也很優(yōu)越，且器件制備技術(shù)與 CMOS 工藝兼容，更適合大規(guī)模集成，是目前的主流方案。硅鍺探測(cè)芯片分為 PIN（二極管探測(cè)器）和 APD（雪崩二極管探測(cè)器）。PIN 二極管靈敏度相對(duì)較低，應(yīng)用于中短距離的光通信傳輸；APD具有更高的探測(cè)靈敏度，適用于更長(zhǎng)的距離。

圖6 (a) 垂直 PN 二極管結(jié)構(gòu)硅鍺混合探測(cè)器截面圖 (b) 垂直 PN 二極管結(jié)構(gòu) III-V/Si 混合集成探測(cè)器截面圖[7]

（4）無(wú)源復(fù)用技術(shù)

為了提高通信容量，通常采用復(fù)用技術(shù)把多個(gè)低速信道組合成一個(gè)高速信道，常見(jiàn)復(fù)用方式有波分復(fù)用、偏振復(fù)用、模式復(fù)用等。波分復(fù)用技術(shù)在目前硅光芯片產(chǎn)品中已經(jīng)開(kāi)始使用，基于光束干涉來(lái)產(chǎn)生多個(gè)通信信道。最常見(jiàn)的多光束干涉波分復(fù)用器件主要有陣列波導(dǎo)光柵（Arrayed Waveguide Grating，AWG）、刻蝕衍射光柵（Etched Diffracted Grating，EDG）、微環(huán)諧振器（micro ring resonator，MRR）、中階梯光柵（echelle grating，EG）等。微環(huán)諧振器為獲得平頂通帶，通常需要級(jí)聯(lián)多個(gè)微環(huán)形成高階微環(huán)諧振器。而微環(huán)相對(duì)于其他類型的復(fù)用器件，對(duì)溫度敏感性更高。AWG和 EDG 則是基于多光束干涉原理，但目前還有較多局限，如存在插損較高、器件尺寸偏大、各通道熱串?dāng)_會(huì)使器件性能嚴(yán)重退化等問(wèn)題。

設(shè)計(jì)、封裝和耦合工藝

硅光產(chǎn)品整體生產(chǎn)流程包括設(shè)計(jì)、制造、封裝三大過(guò)程，圖 7 是硅光芯片設(shè)計(jì)制備測(cè)試封裝流程圖。近年來(lái)在制造和設(shè)計(jì)技術(shù)瓶頸逐漸取得突破，封裝成為出貨量和良率受制的主要因素。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)主要是負(fù)責(zé)硅光模塊的電路圖與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的規(guī)劃。行業(yè)內(nèi)模仿微電子設(shè)計(jì)方式，融合光學(xué)仿真與工藝設(shè)計(jì)套件（Process Design Kit，PDK），推出簡(jiǎn)化光電開(kāi)發(fā)環(huán)境（electronic/photonic design automation，EPDA）。該軟件的推出有助于硅光技術(shù)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)向微電子工藝靠攏，進(jìn)一步發(fā)揮出微電子工藝的規(guī)模效應(yīng)。制造環(huán)節(jié)主要負(fù)責(zé)將晶圓加工成硅光芯片，并完成相應(yīng)器件的封裝和測(cè)試。目前內(nèi)部制造工廠（Foundry，F(xiàn)ab）與開(kāi)放式 Fab 兩種制造模式并行，內(nèi)部 Fab 以 IBM、Intel 為代表，除激光芯片外，設(shè)計(jì)、硅基芯片加工、封測(cè)均由公司自身完成。開(kāi)放式 Fab 模式由實(shí)驗(yàn)室提供設(shè)計(jì)方案，由大規(guī)模流片代工廠實(shí)現(xiàn)制造、封裝過(guò)程。

圖7 硅光芯片設(shè)計(jì)制備測(cè)試封裝流程圖 (DRC 檢查 : 設(shè)計(jì)規(guī)則檢查、RET/OPC: 掩膜版增強(qiáng)技術(shù) / 光學(xué)鄰近校正技術(shù) )

四. 硅光芯片的未來(lái)主要應(yīng)用場(chǎng)景展望

硅光技術(shù)是后摩爾時(shí)代核心技術(shù)之一，硅光芯片的未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景較為廣泛，應(yīng)用也從傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、電信光互聯(lián)向多個(gè)領(lǐng)域拓展。例如，生物傳感、激光雷達(dá)、光計(jì)算、光量子等方向均出現(xiàn)了基于硅光芯片的解決方案。隨著我國(guó)“東數(shù)西算工程”的全面啟動(dòng)，數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算、以及 5G 高速移動(dòng)通訊時(shí)代大帶寬前傳對(duì)高速光模塊的需求會(huì)持續(xù)擴(kuò)大。除此之外，硅光芯片的非通信市場(chǎng)也在慢慢成長(zhǎng)。硅光芯片可用于環(huán)境測(cè)量、識(shí)別和傳感，在機(jī)器視覺(jué)和激光雷達(dá)、化學(xué)分析、氣體探測(cè)、血液分析和可穿戴感知設(shè)備方面具有潛在的應(yīng)用前景。圖 8 總結(jié)了未來(lái)硅光芯片主要的應(yīng)用場(chǎng)景。

從硅光產(chǎn)業(yè)鏈的整體發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，前期主要由海外 Intel、思科（收購(gòu) Acacia 等）、IBM 引領(lǐng)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)的廠商也緊密跟隨，發(fā)展也較為迅速。目前國(guó)內(nèi)在硅光產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有華為海思、武漢光迅和南京希烽光電等少數(shù)公司在積極研究，某些技術(shù)儲(chǔ)備已達(dá)到世界先進(jìn)水平，是一個(gè)可以“并跑”甚至“領(lǐng)跑”的芯片領(lǐng)域，機(jī)遇十分難得。

作者簡(jiǎn)介

徐芳露，華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦咚俅髱捁杌庑酒?/p>

司馬朝坦，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院和武漢光電國(guó)家研究中心副教授，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事平面集成波導(dǎo)和光學(xué)氣體傳感研究；

沈力，華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心光學(xué)與電子信息學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事硅光電子集成器件和特種光纖研發(fā)工作。

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編輯：黃飛

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