對(duì)硅基光電子技術(shù)發(fā)展的思考

郝然

摘要：硅基光電子技術(shù)在其自身優(yōu)勢(shì)、市場(chǎng)需求、國(guó)家戰(zhàn)略的帶動(dòng)下迅速發(fā)展，面臨大規(guī)模市場(chǎng)化的歷史機(jī)遇。指出了硅基光電子在硅基多材料體系、大容量信息技術(shù)、新型耦合和封裝技術(shù)等層面所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，包括有源器件和異質(zhì)集成問(wèn)題、超高集成度硅基信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、高效耦合及封裝等。認(rèn)為建立科研成果和市場(chǎng)產(chǎn)品之間有效的聯(lián)通橋梁，促進(jìn)前沿科研和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的協(xié)同合作是解決這一問(wèn)題的有力手段。

關(guān)鍵詞： 硅基光電集成；多材料系統(tǒng)；光電封裝

Abstract： Driven by its advantages， market demand and national strategy， silicon photonic technology is developing rapidly， and approaching the opportunity of large-scale marketization. In this paper， the key problems of silicon photonics in silicon multi-materials system， massive information technology， and new type of coupling and packaging are analyzed， including active devices and heterogeneous integration， ultra-high integration for silicon-based information system， efficient coupling and packaging. Bridging the gap between scientific research and market product and boosting the collaboration of cutting-edge scientific research and industrial application are solutions to these problems.

Key words： silicon photoelectric integration； multi-materials system； photoelectric package

1 全面需求帶動(dòng)硅基光

電子技術(shù)發(fā)展

21世紀(jì)是大數(shù)據(jù)時(shí)代，以硅為材料的微電子技術(shù)成為了主流信息技術(shù)。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，微電子技術(shù)大致遵循著“摩爾定律”快速發(fā)展，人們對(duì)信息傳輸和處理的要求越來(lái)越高。隨著信息業(yè)務(wù)的不斷拓寬和深入，芯片的特征尺寸減小到10 nm以下，串?dāng)_、發(fā)熱和功耗成為微電子技術(shù)難以解決的瓶頸。雖然微電子技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝制造、封裝測(cè)試等方面都已經(jīng)非常成熟，已經(jīng)是非常完備的產(chǎn)業(yè)鏈，但是伴隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，微電子技術(shù)的瓶頸和高速、寬帶的業(yè)務(wù)需求之間的矛盾已經(jīng)不可調(diào)和。例如：銅纜已經(jīng)不能解決芯片間的高速信號(hào)互聯(lián)問(wèn)題，“光進(jìn)銅退”已經(jīng)不可避免，因此我們迫切需要硅基光子技術(shù)[1]。硅基光電子技術(shù)是利用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝實(shí)現(xiàn)光子器件的集成制備，該技術(shù)結(jié)合了CMOS技術(shù)的超大規(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)。硅材料不僅是集成電路最普及的材料平臺(tái)，還具備優(yōu)異的光學(xué)性能。硅波導(dǎo)對(duì)波長(zhǎng)1.1～1.6 μm的光近乎無(wú)損透明，可較為理想地兼容光通信現(xiàn)有技術(shù)與器件，為高速光通信提供了高集成度的解決方案。業(yè)界認(rèn)為硅光子是當(dāng)今信息技術(shù)中最具發(fā)展前途的技術(shù)領(lǐng)域。另一方面，以III-V族為材料的有源光器件在大規(guī)模應(yīng)用上性?xún)r(jià)比非常低，而基于CMOS工藝的硅基光電子技術(shù)有著低成本、高速、寬帶、低損、高集成能力等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)集成信息技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向。但是， 硅基光電子技術(shù)也存在一些瓶頸，如：硅是間接帶隙材料，用作有源器件的利用效率不高，并且硅光器件的尺寸只在微米量級(jí)，集成度不高等。如何解決硅基光電子技術(shù)的這些瓶頸問(wèn)題，并將之商業(yè)化應(yīng)用成為亟待解決的難題。

1.1 硅基光電子的技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯

硅基光電子雖然有著高速、寬帶的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼容CMOS工藝，有優(yōu)秀的集成能力，但是它屬于新興產(chǎn)業(yè)，相比微電子產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)市場(chǎng)仍處在早期階段，因此硅基光電子的市場(chǎng)化還有很長(zhǎng)的路要走。近年來(lái)，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興信息業(yè)務(wù)發(fā)展迅猛，這對(duì)未來(lái)信息數(shù)據(jù)的傳輸量和計(jì)算量提出了更高的要求。伴隨著新興業(yè)務(wù)的發(fā)展，硅基光電子技術(shù)在下面3個(gè)市場(chǎng)需求的變遷中踏步向前。

（1）產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)。以III-V族為材料的有源光器件性能優(yōu)異，如InP等，但相比硅基光電子而言成本過(guò)高。伴隨著數(shù)據(jù)大浪潮，信息市場(chǎng)在不斷細(xì)分和擴(kuò)張，不久的將來(lái)，數(shù)據(jù)中心完成處理至少需要百億級(jí)的計(jì)算系統(tǒng)，所需的光電器件將與日俱增。當(dāng)產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比逐漸成為市場(chǎng)的關(guān)鍵因素時(shí)，以InP為襯底的光電器件的成本劣勢(shì)會(huì)急劇放大，同時(shí)硅基光電子的低成本優(yōu)勢(shì)也就會(huì)非常明顯。

（2）產(chǎn)品小型化、集成化成為基本趨勢(shì)。隨著器件規(guī)模的不斷增大，為滿(mǎn)足提高器件性能、減小連接成本、減低功耗等要求，提高光子組件密度是主要途徑，即光電子器件的小型化和集成化是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的必然途徑?，F(xiàn)有的分立光器件體積尺寸較大，例如：傳統(tǒng)的鈮酸鋰電光調(diào)制器的器件尺度在厘米級(jí)，但基于CMOS工藝的硅基電光調(diào)制器能達(dá)到微米級(jí)。所以硅基光電子必將取代傳統(tǒng)分立光器件成為市場(chǎng)發(fā)展方向。

（3）制備工藝與現(xiàn)有的CMOS工藝兼容。硅基光電子技術(shù)在制備工藝和材料上完全能夠與現(xiàn)今大規(guī)模普及的CMOS制備技術(shù)相兼容，可直接使用現(xiàn)有的CMOS 工藝平臺(tái)加工。

1.2 硅基光電子技術(shù)的市場(chǎng)需求強(qiáng)勁

基于新興信息業(yè)務(wù)帶來(lái)的強(qiáng)勁需求和硅基光電子的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，硅基光電子產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)近年來(lái)迅速增長(zhǎng)，并且前景光明。據(jù)Yole報(bào)告統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，自2015年起硅基光子器件將以約45%的年復(fù)合增長(zhǎng)率持續(xù)增長(zhǎng)，到2025年硅光子市場(chǎng)規(guī)模將超13億美元。同時(shí)，近年來(lái)Luxtera、Kotura、Infinera、OneChip等歐美企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到硅光子的潛力，紛紛增加了對(duì)集成硅基光子產(chǎn)品的投資。從研究領(lǐng)域看，國(guó)際三大光通信國(guó)際會(huì)議（光纖通信會(huì)議（OFC）、歐洲光通信會(huì)議（ECOC）、亞洲光纖通信與光電子會(huì)議（ACP））近幾年也都在會(huì)議中增加了硅基光電子學(xué)主題，Intel、IBM等跨國(guó)公司都有參與硅光的分會(huì)，充分體現(xiàn)了硅基光電子技術(shù)是未來(lái)市場(chǎng)的潛在發(fā)展方向。中國(guó)的一些科研院校和通信公司，如：中興通訊、武漢郵科院、光迅等也紛紛未雨綢繆，在硅基光電子方向投入研發(fā)，為將來(lái)的產(chǎn)品換代做技術(shù)儲(chǔ)備。

1.3 國(guó)家戰(zhàn)略和國(guó)防安全急需硅基

光電子的支撐

硅基光電子技術(shù)的發(fā)展不但是民用經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)需求的選擇，更是國(guó)家戰(zhàn)略和國(guó)防安全的要求。光電子技術(shù)對(duì)信息產(chǎn)業(yè)的影響已經(jīng)獲得各國(guó)的重視。美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)在白皮書(shū)《Optics and Photonics： Essential Technologies for Our Nation》中指出“光子學(xué)是重拾美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力和維護(hù)國(guó)家安全的關(guān)鍵”；歐洲21世紀(jì)光子咨詢(xún)專(zhuān)家組在《Towards 2020- Photonics Driving Economic Growth in Europe》中著重強(qiáng)調(diào)了光子學(xué)在歐洲經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中的重要作用。而中國(guó)對(duì)光電子技術(shù)同樣非常重視，中國(guó)國(guó)務(wù)院在《中國(guó)制造2025》規(guī)劃中明確提出“掌握新型計(jì)算、高速互聯(lián)、先進(jìn)存儲(chǔ)、體系化安全保障等核心技術(shù)，超高速大容量智能光傳輸技術(shù)、未來(lái)網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)和體系架構(gòu)，推動(dòng)核心信息通信設(shè)備體系化發(fā)展與規(guī)?；瘧?yīng)用”。

經(jīng)過(guò)多年的努力，中國(guó)在激光器、調(diào)制器、探測(cè)器等單元器件，光纖傳輸，光信號(hào)處理等多個(gè)方向取得了一定的進(jìn)展。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2015年中國(guó)全國(guó)光纜線(xiàn)路總長(zhǎng)度達(dá)到將近2 500萬(wàn)千米，光寬帶網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)已經(jīng)取得了不小的成績(jī)。但是中國(guó)在光電子產(chǎn)業(yè)許多方面仍存在差距和技術(shù)空白，光電子器件國(guó)產(chǎn)化程度很低，在光收發(fā)器件領(lǐng)域，速率為10 Gbit/s的光收發(fā)器件的國(guó)產(chǎn)化率只有4%，40 Gbit/s的光收發(fā)機(jī)仍是空白。據(jù)OVUM等權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，目前中國(guó)高端光電子芯片有30%從美國(guó)進(jìn)口、65%從日本進(jìn)口。由于核心光電子器件和芯片的進(jìn)口逐漸受到西方發(fā)達(dá)國(guó)家的禁售政策的影響，中國(guó)的光電子技術(shù)與集成產(chǎn)業(yè)鏈被發(fā)達(dá)國(guó)家所制約，未來(lái)信息產(chǎn)業(yè)的核心命門(mén)受制于人。

除了信息產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略安全外，國(guó)防安全和航天事業(yè)也需要硅基光電子技術(shù)的鼎力相助?，F(xiàn)代軍事國(guó)防系統(tǒng)基于微電子技術(shù)建立而成，隨著武器的更新?lián)Q代，武器、控制系統(tǒng)對(duì)電子器件的重量、體積的要求越來(lái)越高，為了滿(mǎn)足中國(guó)武器和航天技術(shù)輕量化、小型化、高速化的發(fā)展需求，包括機(jī)載武器、航天衛(wèi)星、相控陣?yán)走_(dá)的傳輸和控制模塊都已經(jīng)向光子化發(fā)展。

2 機(jī)遇背后就是挑戰(zhàn)：硅基

光電子發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題

大數(shù)據(jù)浪潮隨著新興信息業(yè)務(wù)席卷而來(lái)，為硅基光電子創(chuàng)造了巨大的需求市場(chǎng)，這是硅基光電子產(chǎn)業(yè)崛起的巨大機(jī)遇，同時(shí)也是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。硅基光電子技術(shù)雖然如前文所述有著諸多優(yōu)勢(shì)，但隨著加工制造的不斷深入，仍存在著許多關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決，這些關(guān)鍵問(wèn)題是硅基光電子走向市場(chǎng)化的“攔路虎”。需要運(yùn)營(yíng)商、廠(chǎng)商等研究機(jī)構(gòu)協(xié)同合作，發(fā)揮創(chuàng)新精神，攻克難關(guān)。

（1）基于硅基襯底的高效有源器件及異質(zhì)集成問(wèn)題。

硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體材料，其光發(fā)射是典型的聲子輔助的低幾率過(guò)程（復(fù)合壽命范圍為毫秒量級(jí)），所以相比InGaAsP、InP等直接帶隙材料，硅材料的發(fā)光效率低，難以直接制備硅基激光器、探測(cè)器等有源器件，這是硅材料內(nèi)在能帶結(jié)構(gòu)的物理瓶頸所決定的。因此如何基于硅襯底實(shí)現(xiàn)高效有源光電器件（結(jié)合其他新材料和III-V族材料）是個(gè)重大問(wèn)題。利用直接帶隙III-V族材料的有源器件和低成本低損耗的硅是目前光通信系統(tǒng)中普遍的解決方案，但是硅襯底的異質(zhì)集成也是各企業(yè)研發(fā)部門(mén)和制造商需要面臨的一大課題。

（2）超大信息容量的硅基系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。

雖然現(xiàn)階段硅基光電子技術(shù)相比微電子技術(shù)而言有明顯的寬帶優(yōu)勢(shì)，但是由于光學(xué)衍射定律的存在，光子器件的尺寸不能小于波長(zhǎng)的1/2，因此現(xiàn)有光子器件的尺寸還在微米量級(jí)，比電子器件大的多。如何突破衍射極限，把硅基光電器件的尺寸減小至納米尺度，是當(dāng)前亟需解決的一大難題。表面等離激元是目前有望突破光學(xué)衍射限制的技術(shù)途徑，但也還存在著損耗、工藝等難題未解決；新興的二維納米材料，如：石墨烯、二硫化鉬等，由于本身只有一個(gè)原子的厚度可以進(jìn)一步突破衍射極限[2]，提高系統(tǒng)的集成度，仍然處于研究的初級(jí)階段，離商業(yè)應(yīng)用還有較大距離。

（3）硅基光電子高效耦合問(wèn)題。

硅基波導(dǎo)耦合器是硅基集成光電芯片上的光信號(hào)和外部光纖光信號(hào)之間的互聯(lián)接口。片上硅基光波導(dǎo)的尺寸在數(shù)百納米級(jí)別，單模光纖的芯徑尺寸約為10 μm，尺寸上的巨大差距必然導(dǎo)致耦合的模式失配，造成極大的耦合損耗（>25 dB）。為了解決模式失配的問(wèn)題，業(yè)界主要采用的耦合方式有兩種：倒錐形端面耦合和光柵耦合。倒錐端面耦合是通過(guò)一個(gè)倒錐形結(jié)構(gòu)的耦合器將光纖中的光信號(hào)耦合入硅波導(dǎo)中，這種耦合方式帶寬大，光信號(hào)的偏振相關(guān)性小，工藝相對(duì)復(fù)雜，采用蝶形封裝，封裝成本較高。相對(duì)地，光柵耦合是將光纖中的光信號(hào)垂直入射到耦合光柵中，進(jìn)而耦合到硅波導(dǎo)中，這種耦合方式的工藝簡(jiǎn)單，成本較低，但是耦合帶寬小，對(duì)光信號(hào)偏振敏感。這兩種耦合方式的耦合效率都不盡如人意（約為3 dB），需要進(jìn)一步探索提高耦合效率。

（4）硅基光電子的封裝問(wèn)題。

相比硅基光電子器件的片上集成，硅光電子的封裝問(wèn)題往往被輕視。一方面，由于硅基光電子接口封裝技術(shù)仍處于初期階段，主要問(wèn)題是光電子芯片和光纖陣列組件的光接口封裝，其難點(diǎn)主要在于對(duì)準(zhǔn)與封裝精度要求高，直接導(dǎo)致封裝成本過(guò)高，封裝效率低下。目前的封裝技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)高效率、低成本的光接口封裝，這將大大延緩硅基光電子的大規(guī)模應(yīng)用。另一方面，相比微電子芯片的封裝問(wèn)題，硅光電子多了一個(gè)光的物理復(fù)雜度，封裝問(wèn)題更加復(fù)雜、難度更大，特別是針對(duì)高集成光電子器件芯片，許多方面的工程制造經(jīng)驗(yàn)仍處于空白。模塊化封裝難以同時(shí)保證高耦合效率和高穩(wěn)定可靠的高頻響應(yīng)特性；由于硅波導(dǎo)的有效折射率實(shí)部對(duì)溫度敏感，硅基光電子器件的光學(xué)性能往往對(duì)熱環(huán)境有較高要求；同時(shí)，集成化器件之間還存在著大量的光、電、熱相互串?dāng)_和相互作用：因此硅基光電子芯片封裝的多物理問(wèn)題比微電子封裝更加嚴(yán)重突出?，F(xiàn)有的封裝技術(shù)難以同時(shí)消除器件之間的相互串?dāng)_，故而需要研究新的封裝技術(shù)和工藝。

3 多方向、多層次共同努力

破難關(guān)

硅基光電子集成是下一代信息技術(shù)的發(fā)展方向，然而如前段所述，硅基光電子面臨著一些關(guān)鍵問(wèn)題急需解決，為了進(jìn)一步向大規(guī)模市場(chǎng)化前進(jìn)，必須針對(duì)這些關(guān)鍵問(wèn)題，進(jìn)行多方向、多層次的技術(shù)攻關(guān)。

（1）構(gòu)建硅基多材料集成生態(tài)。

為了解決硅基有源器件效率低下的問(wèn)題，必須以硅基材料為主，結(jié)合其他直接帶隙的材料體系共同構(gòu)建硅基多材料集成生態(tài)。在靠近市場(chǎng)的企業(yè)研究層面，構(gòu)建硅基和InP等III-V族有源器件的混合集成生態(tài)，實(shí)現(xiàn)低損、低成本的硅器件基波導(dǎo)和高效率III-V族有源器件的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。必須研究硅基/InP基混合集成中面臨的材料生長(zhǎng)和制備工藝兼容性難題的新機(jī)理，并探索混合集成光源和硅波導(dǎo)之間的鍵合方式。硅基多材料集成生態(tài)不但要研究工藝上的材料兼容問(wèn)題，還要注意異質(zhì)材料的器件之間模式兼容問(wèn)題，特別是無(wú)源硅基波導(dǎo)和有源III-V族材料器件的模式轉(zhuǎn)換問(wèn)題。由于異質(zhì)材料之間的光學(xué)材料特性有著明顯差異，所以激光器的腔模和硅基波導(dǎo)之間會(huì)存在顯著的模式失配，直接耦合會(huì)引起極大的耦合損耗和模式泄露。因此異質(zhì)的有源器件和硅基無(wú)源器件的模式轉(zhuǎn)換問(wèn)題非常有必要。在靠近學(xué)術(shù)研究的高校研究層面，可以基于石墨烯、二硫化鉬等新型二維材料研究高效的硅基有源器件，例如：石墨烯是一種零帶隙的二維材料，具有良好的光學(xué)特性，利用石墨烯的泡利阻斷效應(yīng)可以設(shè)計(jì)微米級(jí)的、與CMOS工藝兼容的硅基吸收型調(diào)制器。所以，結(jié)合新型二維光學(xué)材料是發(fā)展硅基有源器件的重點(diǎn)方向，但目前針對(duì)二維光學(xué)材料的研究仍然停留在實(shí)驗(yàn)室階段，還未與企業(yè)研發(fā)相銜接。

（2）發(fā)展新型高集成度硅光技術(shù)。

由于光子的衍射極限，在均勻介質(zhì)中模場(chǎng)大小難以限制在光子半波長(zhǎng)以下，從而制約了硅基光電子的深度集成，表面等離激元有望解決這一問(wèn)題。表面等離激元是光與金屬自由電子相互作用下，在金屬-介質(zhì)界面產(chǎn)生的電子共振。表面等離激元有兩種形式：局域表面等離子體激元（LSPs）和表面等離極化激元（SPPs）。LSPs 是電子與電磁場(chǎng)耦合的非傳播的激發(fā)，主要涉及很小的納米顆粒的散射問(wèn)題。SPPs 是沿金屬表面?zhèn)鞑サ臉O化波。SPPs在垂直金屬表面上形成消逝場(chǎng)，場(chǎng)振幅呈指數(shù)衰減，因此 SPPs 的電磁能量被強(qiáng)烈地約束在表面附近，具有強(qiáng)大的近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)；而沿金屬表面由于歐姆熱效應(yīng)，只能傳播有限距離。利用表面等離子體微納結(jié)構(gòu)制備光波導(dǎo)、傳感器、探測(cè)器、調(diào)制器和太陽(yáng)能電池等光學(xué)器件，不僅使器件尺寸縮小了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而且提高了器件性能。表面等離子體光學(xué)才剛剛起步，用于等離子體產(chǎn)生、操縱和探測(cè)的器件集成仍然是一個(gè)艱難的挑戰(zhàn)。隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，表面等離子體將在納米硅基光子學(xué)方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。另一方面，二維材料由于單原子厚度的幾何和特殊能帶結(jié)構(gòu)也能突破衍射極限。如：石墨烯是一種碳原子以SP2雜化方式組成的單原子層二維材料，并且由于其穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)能夠形成獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)?；诙S結(jié)構(gòu)和特殊的能帶結(jié)構(gòu)，光子模場(chǎng)能夠緊緊束縛在石墨烯表面，形成石墨烯等離激元?；诓煌慕Y(jié)構(gòu)，光場(chǎng)能以不同的模式限制在石墨烯上，如：在石墨烯帶結(jié)構(gòu)中光場(chǎng)將被束縛在石墨烯兩側(cè)，在硅-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)中光場(chǎng)將被規(guī)律性地約束在整個(gè)石墨烯表面等。石墨烯表面等離激元與傳統(tǒng)的金屬等離激元相比，石墨烯的光場(chǎng)束縛性更強(qiáng)，同時(shí)由于石墨烯等離激元可以通過(guò)石墨烯費(fèi)米能級(jí)、載流子濃度等進(jìn)行調(diào)控，具有非常好的靈活性。更重要的是，二維材料一般能夠與硅基工藝很好地兼容。因此基于表面等離激元和二維材料能夠進(jìn)一步發(fā)展深度集成的硅基技術(shù)，有助于實(shí)現(xiàn)超大信息容量的硅基系統(tǒng)。

（3）革新硅基光電子的耦合及封裝技術(shù)。

現(xiàn)有耦合方式效率較低，需要進(jìn)一步優(yōu)化耦合方式，通過(guò)設(shè)計(jì)被動(dòng)式的高效、高精度光纖陣列對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，降低光接口封裝成本，提高光纖組裝效率。為了有效消除硅基光電子芯片內(nèi)各器件之間的相互串?dāng)_和相互作用，解決芯片的多物理場(chǎng)問(wèn)題，應(yīng)在傳統(tǒng)電、熱多物理的問(wèn)題基礎(chǔ)上，增加光的物理維度，仔細(xì)探究光熱相互作用的機(jī)理和光電的兼容集成問(wèn)題[3]，建立集成光電子器件的封裝模型，在傳統(tǒng)封裝技術(shù)基礎(chǔ)上推陳出新，建立集成光電子器件標(biāo)準(zhǔn)化的新型封裝技術(shù)。此外，還需要仔細(xì)研究如何通過(guò)這種封裝技術(shù)解決硅基芯片的多物理問(wèn)題。

4 協(xié)同合作才是康莊大道

（1）學(xué)術(shù)、產(chǎn)業(yè)界的協(xié)同合作

硅基光電子器件及集成技術(shù)的諸多研究仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，未進(jìn)入產(chǎn)業(yè)界的研發(fā)階段。利用石墨烯、二硫化鉬等二維材料能夠?qū)崿F(xiàn)CMOS兼容微米級(jí)高效的有源硅基器件，包括調(diào)制器、探測(cè)器等，實(shí)現(xiàn)硅基高效有源無(wú)源器件體系的建立。利用金屬-介質(zhì)、二維材料石墨烯的表面等離激元技術(shù)深入發(fā)展新型高集成度硅光技術(shù)，從而構(gòu)建超大容量硅基通信系統(tǒng)。通過(guò)研究硅基光電子器件內(nèi)部光、電、熱相互耦合機(jī)理，建立多物理問(wèn)題模型，可以系統(tǒng)地研究硅基光電的封裝問(wèn)題。只有前沿科研和產(chǎn)業(yè)研發(fā)的共同協(xié)作，建立科研成果和市場(chǎng)產(chǎn)品之間有效的連通橋梁，才有希望實(shí)現(xiàn)硅基光電子的重大突破。

（2）產(chǎn)業(yè)界內(nèi)部合作

快速構(gòu)建硅基和III-V族有源器件的混合集成生態(tài)需要傳統(tǒng)InP基的III-V族材料廠(chǎng)商和硅基光電子廠(chǎng)商的共同合作。工藝技術(shù)的積累不是一朝一夕的努力，要想快速實(shí)現(xiàn)硅基的混合異質(zhì)集成系統(tǒng)，必須將III-V族的有源光器件技術(shù)和硅基光電子技術(shù)共同結(jié)合，因此廠(chǎng)商之間的內(nèi)部合作是一種有效的捷徑，將大大縮短研發(fā)時(shí)間，促進(jìn)硅基光電子器件和集成技術(shù)的市場(chǎng)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興信息業(yè)務(wù)的催化下，硅基光電子技術(shù)由硅基技術(shù)優(yōu)勢(shì)支撐，由市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)，并在國(guó)家發(fā)展方針的指導(dǎo)下面臨著大規(guī)模市場(chǎng)化的歷史機(jī)遇。如何抓住這一歷史機(jī)遇，突破艱巨的研究挑戰(zhàn)，縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家在硅基光電子產(chǎn)業(yè)方面的差距，是產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界需要共同承擔(dān)的歷史責(zé)任。通過(guò)構(gòu)建硅基多材料集成生態(tài)，發(fā)展高集成度硅光技術(shù)，革新耦合及封裝技術(shù)，有希望能解決硅基光電子面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，包括：有源器件和異質(zhì)集成問(wèn)題、超大容量硅基信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題、高效耦合及封裝問(wèn)題，最終達(dá)到硅基光電子的大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)的更新?lián)Q代。當(dāng)然這需要產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界建立有效的合作體系，并通過(guò)長(zhǎng)期的共同努力才能實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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