北大周治平：硅基光電子學(xué)引發(fā)變革產(chǎn)業(yè)化亟需多方努力

本刊記者|刁興玲

北大周治平：硅基光電子學(xué)引發(fā)變革產(chǎn)業(yè)化亟需多方努力

本刊記者|刁興玲

我國硅基光電子技術(shù)在器件設(shè)計(jì)方面并不落后，但在芯片系統(tǒng)集成能力方面仍然稍顯不足?！霸谟布矫?，我國的加工技術(shù)還不完善，有能力的加工單位較少；封裝技術(shù)也不如外國成熟；在系統(tǒng)協(xié)同方面，我國產(chǎn)學(xué)研多方還需進(jìn)一步加強(qiáng)合作?！敝苤纹浇淌谥赋?。

未來計(jì)算機(jī)和消費(fèi)類電子產(chǎn)品性能的提高將主要依賴于中央處理器芯片之間和芯片內(nèi)光信號的互連，光互連技術(shù)作為解決不斷增長的通信容量和密度的方案已經(jīng)成為業(yè)界共識。

目前光互連技術(shù)主要有基于III-V族半導(dǎo)體材料體系和基于IV族硅等與CMOS工藝兼容的材料體系兩種。III-V族材料體系雖然光學(xué)性能較好，但成本很高、加工困難、集成度不高。為了滿足低成本、大容量、高密度的光互連方案要求，硅基光電集成技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

硅基光電子學(xué)引發(fā)產(chǎn)業(yè)革命

中國電信集團(tuán)科技委主任韋樂平曾表示：“目前光層的創(chuàng)新路徑已經(jīng)有很多探索，但硅基光電子技術(shù)或許是最根本性的創(chuàng)新主線。”

硅基光電集成技術(shù)尤其是在低成本、高集成度方面具有不可替代性。硅基光電集成的優(yōu)勢主要來源于成熟的硅基微電子CMOS技術(shù)，包括易于獲得、成本低廉的硅基材料，大批量、高良率的大規(guī)模集成技術(shù)，以及可擴(kuò)展、可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

硅基光電子學(xué)一經(jīng)提出，就受到了國際上的廣泛重視。北京大學(xué)教授、光子學(xué)研究主編周治平早年就職于喬治亞理工學(xué)院，成為最早研究硅基光電子學(xué)的學(xué)者之一。當(dāng)他回國后，于2006年獲得了一項(xiàng)80萬元的“973預(yù)研小項(xiàng)目”——新型硅基微納光電子器件及集成技術(shù)基礎(chǔ)研究。項(xiàng)目雖小，卻標(biāo)志著我國政府對硅基光電子學(xué)支持的開始。自此之后，在周治平教授及相關(guān)研究人員的不斷宣傳和推動(dòng)下，硅基光電子集成研究越來越受到重視。

值得一提的是，2011年周治平教授團(tuán)隊(duì)獲得了“863項(xiàng)目”——硅基集成100Gbit/s相干接收及傳輸模塊技術(shù)的支持，2012年又獲得了國家自然科學(xué)基金重大國際合作項(xiàng)目“低功耗微/納光電子集成技術(shù)基礎(chǔ)研究”的支持。

我國第一片硅基集成100Gbit/s相干發(fā)射與接收芯片誕生

在國際上，IBM于2012年在標(biāo)準(zhǔn)的90納米CMOS工藝線上集成了含有波分復(fù)用技術(shù)的光電子和微電子系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)吞吐率達(dá)100Gbit/s；2013年，Intel向全世界公布了速度達(dá)100Gbit/s的芯片運(yùn)行狀況，并決定芯片生產(chǎn)線投產(chǎn)運(yùn)行。

近10年來，我國的硅基光電子集成研究也得到了極大的發(fā)展，北京大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)等院校，以及中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所等科研機(jī)構(gòu)，均在該領(lǐng)域取得了一系列進(jìn)展。

特別是2013年思科以2億美元的價(jià)格收購了硅基光電子技術(shù)公司lightwire（擁有100Gbit/s的芯片），開始深入硅基光電子技術(shù)，這引起了我國華為、中興、烽火通信等企業(yè)的重視。我國企業(yè)也開始在硅基光電子芯片方面進(jìn)行投入，開展該領(lǐng)域的研發(fā)工作。

周治平教授透露，其領(lǐng)導(dǎo)的北京大學(xué)硅基光電子及微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室目前已開發(fā)出我國第一片硅基集成100Gbit/s相干發(fā)射與接收芯片，填補(bǔ)了國內(nèi)空白；除此之外，在降低硅基光電子器件的能耗方面也做了很多工作，目前在Mod-WDM系統(tǒng)的能耗降低方面已經(jīng)找到了一條切實(shí)有效的路線。

技術(shù)產(chǎn)業(yè)化亟需產(chǎn)學(xué)研多方努力

周治平教授坦言，目前硅基光電子技術(shù)仍面臨困難，其面臨的挑戰(zhàn)主要在能耗和片上光源方面?，F(xiàn)在有部分硅光產(chǎn)品已經(jīng)商用，其通信速率雖然大大超過了銅互連，但能耗也顯著升高。未來隨著通信速率的不斷提高和硅光的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)低能耗會變得越發(fā)迫切。片上光源問題目前主要通過將成熟的III-V族激光器flip-chip貼片到硅基光電芯片上來解決。未來若能在硅基光電芯片上實(shí)現(xiàn)光源的直接集成，在成本、集成度、可靠性和生產(chǎn)率方面還會有所提升。

另外，由于硅材料自身物理性能的限制，硅基激光器的實(shí)現(xiàn)一直被譽(yù)為世界性難題。周治平教授表示，IV族半導(dǎo)體硅、鍺材料是間接帶隙，實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射比較困難，但部分硅基光電子集成芯片所需的片上光源不一定是硅基激光器，也可通過在硅基材料上生長其他材料加以實(shí)現(xiàn)。這種方案能夠利用發(fā)光特性較好的材料，因而目前看來較有前景。在另一方面，通過對硅鍺材料的能級改造來實(shí)現(xiàn)激光仍然是值得探求的路徑。

我國硅基光電子技術(shù)在器件設(shè)計(jì)方面并不落后，但在芯片系統(tǒng)集成能力方面仍然比較落后?！霸谟布矫?，我國的加工技術(shù)還不完善，有能力的加工單位較少；封裝技術(shù)也不如外國成熟；在系統(tǒng)協(xié)同方面，我國產(chǎn)學(xué)研多方還需進(jìn)一步加強(qiáng)合作?！敝苤纹浇淌谥赋觥?/p>

硅基光電子集成技術(shù)已經(jīng)可以產(chǎn)業(yè)化，并且國外已經(jīng)在進(jìn)行。周治平教授認(rèn)為，我國要想盡快地享受到這一技術(shù)所帶來的好處，還需要滿足以下3個(gè)重要條件：首先，政府和投資界的高度重視和投入以確保我國不再輸在起跑線上；其次，亟需光電子和微電子行業(yè)的協(xié)同合作推出低成本、高可靠的通用性產(chǎn)品；最后，應(yīng)用行業(yè)的開放態(tài)度以利于抓住這一革命性的機(jī)會。

充分利用高校、研究所的學(xué)術(shù)研究能力以及產(chǎn)業(yè)界雄厚的資金和技術(shù)實(shí)力，各界齊心協(xié)力才能更好地推動(dòng)硅基光電子技術(shù)在我國的迅速發(fā)展。

何為硅基光電子？

硅基光電子技術(shù)是以光子和電子為信息載體的硅基大規(guī)模集成技術(shù)。其核心內(nèi)容就是將光子器件"小型化"、“硅片化”，并與納米電子器件相集成。即利用硅或與硅兼容的其他材料，應(yīng)用硅工藝，在同一硅襯底上同時(shí)制作若干微納量級，以光子和/或電子為載體的信息功能器件，形成一個(gè)完整的具有綜合功能的新型大規(guī)模集成芯片。