硅基光電子在通信中的應(yīng)用和挑戰(zhàn)

李德釗，許鵬飛，朱科健，周治平,3

（1. 北京愛杰光電科技有限公司，北京 100190；2. 北京大學(xué)，北京 100871； 3. 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海 201800）

1 引言

以硅材料為主導(dǎo)的微電子技術(shù)在過去半個多世紀(jì)中取得了舉世矚目的成就，一直是現(xiàn)代信息社會發(fā)展的驅(qū)動力。微電子芯片的發(fā)展遵從摩爾定律，但隨著微電子芯片的工藝節(jié)點(diǎn)向原子級靠近，量子效應(yīng)對芯片性能的影響加劇，摩爾定律面臨失效。人們使用多核處理器提高性能和降低功耗，然而總線的信號傳輸速度制約了處理器的處理能力[1]。傳統(tǒng)的電互連由于電磁干擾和時延等原因，不能滿足未來高速數(shù)據(jù)通信的需求。光通信具有抗電磁干擾、高傳輸率、低能耗、低時延等特性，光作為信息互聯(lián)的媒介相對電信號來說具有先天的優(yōu)越性[2-6]。20世紀(jì)70年代美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Miller提出了集成光學(xué)的概念[7]，其目標(biāo)是在同一芯片中同時集成光器件和電器件。

隨著早期互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，三、五族化合物半導(dǎo)體材料成為光通信的首選，并推動了光通信的發(fā)展[8]。這段時期集成化光通信芯片的主要材料是磷化銦（InP），InP是直接帶隙半導(dǎo)體，載流子遷移率高，可以直接制備高速半導(dǎo)體激光器、放大器和調(diào)制器等關(guān)鍵光電子器件。然而，銦是稀有材料，價格昂貴；InP晶圓尺寸小、產(chǎn)量低，依賴復(fù)雜的外延工藝。這都抬高了基于InP材料的光通信芯片成本。當(dāng)前InP光模塊的成本約為1美元/（Gbit·s-1），難以進(jìn)一步降低。

隨著電信和互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展升級，5G、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用需求使得光通信系統(tǒng)信道容量在過去30年中增加了5個數(shù)量級，如圖1所示，光通信系統(tǒng)技術(shù)路線的升級依賴于技術(shù)的革新，光通信系統(tǒng)和調(diào)制格式越來越復(fù)雜。在當(dāng)前主流的骨干網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心通信系統(tǒng)中，基于相干通信技術(shù)和波分復(fù)用技術(shù)的100 Gbit/s光通信芯片和模塊被大量應(yīng)用[9-12]。未來光通信芯片和模塊將向400 Gbit/s、800 Gbit/s甚至Tbit/s（級別速率演進(jìn)，迫切需要開發(fā)更高集成度、更低成本的光通信芯片和模塊[13-16]。

圖1 光通信系統(tǒng)的通信容量在過去30年中增加了5個數(shù)量級

除了長距離數(shù)據(jù)傳輸，硅基光電子還可以滿足微電子芯片內(nèi)／間的短距離大容量數(shù)據(jù)傳輸。通過與微電子集成電路進(jìn)行單片集成，實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的片上互連，突破目前的微電子處理器在數(shù)據(jù)互連上的瓶頸[17]。

2 發(fā)展應(yīng)用

硅基光電子技術(shù)通過探討微納米量級光子、電子及光電子器件在不同材料體系中的新穎工作原理，并使用與硅基集成電路工藝兼容的技術(shù)和方法，將它們異質(zhì)集成在同一硅襯底上，形成一個完整的具有綜合功能的新型大規(guī)模光電集成芯片。硅基光電子的發(fā)展始于20世紀(jì)80年代，Soref發(fā)現(xiàn)了晶體硅中的等離子色散效應(yīng)，為硅基電光調(diào)制提供了理論基礎(chǔ)[18]。硅基光電子技術(shù)擁有光的極高帶寬、超快速率和高抗干擾特性以及微電子技術(shù)在大規(guī)模集成、低能耗、低成本等方面的優(yōu)勢，更適應(yīng)未來高速、復(fù)雜的光通信系統(tǒng)[19-20]，如圖2所示。Intel預(yù)測，未來硅基光電子模塊的預(yù)期成本可以降至0.3美元/（Gbit·s-1），相對于InP材料而言更具有成本優(yōu)勢。

圖2 硅基光電子技術(shù)適合多通道的高速光通信

硅基光電子巨大潛能和商用價值逐漸受到業(yè)界認(rèn)可，其中代表性的公司主要包括Luxtera、Rockly、Intel、Acacia、Sicoya等[21-23]，商業(yè)公司的加入大力推動了硅基光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

Rockly是早期致力于硅基光電子商業(yè)化的公司之一。Rockly的硅基光電子芯片采用3 μm厚硅的技術(shù)路線[24-25]，充分發(fā)揮硅材料在無源器件方面的優(yōu)勢，與一般的220 nm薄硅技術(shù)路線相比，Rockly將硅波導(dǎo)的損耗降低了一個數(shù)量級（約0.2 dB/cm）；且3 μm的厚硅波導(dǎo)尺寸與InP激光器模斑尺寸相近，便于和InP激光器混合集成，避開了硅材料在發(fā)光上的劣勢；但其弊端在于無法通過摻雜的設(shè)計形成調(diào)制器，需要采用倒裝焊（flip-chip bonding，F(xiàn)CB）的方式將InP的電吸收調(diào)制器集成到硅基光電子芯片上實(shí)現(xiàn)調(diào)制功能。

Luxtera（后被思科收購）也是早期從事硅基光電子通信芯片研究的公司，Luxtera的硅基光電子芯片采用光柵耦合器作為輸入/輸出（I/O）端口，可以不經(jīng)過裂片直接對硅基光電子芯片進(jìn)行晶圓級測試和封裝，節(jié)約了整體成本。同時，Luxtera的硅基光電子芯片封裝技術(shù)也較為領(lǐng)先，通過到FCB的方式將激光器芯片和專用集成電路（ASIC）芯片混合貼裝在硅基光電子芯片表面形成完整的硅基光電子收/發(fā)芯片引擎，降低了后端光模塊封裝的難度[26-28]。

Intel于2016年發(fā)布了基于硅基光電子的首款50 Gbit/s光發(fā)射和接收模塊。Intel的硅基光電子芯片采用了特殊的倏逝波耦合結(jié)構(gòu)，利用自身的工藝能力，使得硅基光電子波導(dǎo)和InP芯片共同構(gòu)成激光器諧振器（可以通過調(diào)整硅基光電子波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)改變工作波長，同時避免了光模場的對準(zhǔn)問題），大大降低了整體的封裝成本[29-32]。Intel于2018年推出的100 Gbit/s PSM4 QSFP28硅基光電子收發(fā)模塊，也是近年來硅基光電子通信應(yīng)用領(lǐng)域最成功的產(chǎn)品之一，累計出貨量超300萬只。

Acacia在硅基光電子的長距離應(yīng)用上處于領(lǐng)先地位，是最早推出100 Gbit/s相干硅基光電子收發(fā)模塊的公司[9,33]，具備相干數(shù)字信號處理（digital signal processing，DSP）芯片設(shè)計能力及業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的硅基光電子單片集成及封裝工藝。于2018年發(fā)布的AC1200模塊是首次實(shí)現(xiàn)6 600 km超長距離400 Gbit/s速率信號傳輸?shù)墓杌怆娮幽K。

Sicoya是采用單片集成路線的硅基光電子芯片公司，利用IHP公司開發(fā)的鍺硅雙極互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體（GeSi BiCMOS）工藝，將微電子集成電路（如驅(qū)動器（Driver）、跨阻放大器（TIA）等）和硅基光電子芯片集成在同一塊硅片上[34-35]，提升了整體性能。一方面，大大縮短了高頻信號在驅(qū)動器和調(diào)制器之間的傳輸距離，降低了發(fā)射端的功耗；另一方面，由于光探測器和放大器之間的信號路徑縮短，接收端具有更高的信噪比。

近年來，我國的硅基光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速，基礎(chǔ)研究不斷取得突破、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相繼形成、產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善、產(chǎn)品解決方案日趨完善。部分硅基光電子技術(shù)基礎(chǔ)研究接近國際一流水平，部分關(guān)鍵產(chǎn)品已基于自主研發(fā)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化突破[36-39]，2018－2020年，國家信息光電子創(chuàng)新中心聯(lián)合產(chǎn)業(yè)力量先后推出100 Gbit/s硅基光電子芯片和4×200 Gbit/s硅基光電子發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破[40-43]。此外，光迅、華為、阿里巴巴、海信、亨通Rockley、賽勒光電等企業(yè)正在進(jìn)入硅基光電子市場，相繼展示了自主研制的硅基光電子產(chǎn)品。

3 市場前景

硅基光電子技術(shù)市場前景十分廣闊，根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu) Yole 的數(shù)據(jù)[44]，2020年，基于硅基光電子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)總體市場規(guī)模大約為8 000萬美元。到2026年，預(yù)計硅基光電子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)總體市場規(guī)模將快速增長至11億美元，2020— 2026年均復(fù)合增長率高達(dá) 49%。硅基光電子不同應(yīng)用場景市場規(guī)模預(yù)估如圖3所示。

圖3 硅基光電子不同應(yīng)用場景市場規(guī)模預(yù)估

硅基光電子技術(shù)應(yīng)用場景分布廣泛，在通信、激光雷達(dá)[45-46]、傳感[47]以及人工智能光計算[48]等方面已有產(chǎn)業(yè)化的趨勢。特別是在2021年，Rockley與蘋果公司合作開發(fā)基于硅基光電子的分光光度計，可用于測量人體乳酸、體溫、血壓、血氧和心率等數(shù)據(jù)。預(yù)計將在智能手表上搭載該器件，開啟了硅基光電子技術(shù)在消費(fèi)電子方面的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，預(yù)計在2026年，硅基光電子在消費(fèi)電子領(lǐng)域的市場規(guī)模將占據(jù)硅基光電子產(chǎn)業(yè)總市場規(guī)模的43%。

截至目前，硅基光電子技術(shù)最成熟的應(yīng)用場景仍然是光通信行業(yè)。2020年，用于光通信的硅基光電子收/發(fā)器市場規(guī)模占硅基光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)總市場的98.9%。產(chǎn)品主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)、長距離骨干網(wǎng)光互聯(lián)和5G前傳等。其中數(shù)據(jù)中心是硅基光電子模塊最主要應(yīng)用場景。數(shù)據(jù)中心通信連接數(shù)量大、節(jié)點(diǎn)間距離短、環(huán)境溫度相對穩(wěn)定、對光模塊的成本敏感，硅基光電子在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用優(yōu)勢明顯。因此用于數(shù)據(jù)中心光通信的硅基光電子收/發(fā)器占硅基光電子在光通信市場總規(guī)模的97%。到2026年，預(yù)計硅基光電子技術(shù)在光通信領(lǐng)域的主要應(yīng)用仍將集中于數(shù)據(jù)中心光通信，并以26%的年復(fù)合增長率實(shí)現(xiàn)4.5億美元左右的市場規(guī)模。

除了數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用外，長距離骨干網(wǎng)市場總體容量有限；而5G應(yīng)用場景對光模塊的溫度穩(wěn)定性要求較高。同時現(xiàn)階段硅基光電子芯片封裝的良品率較低、封裝成本高，硅基光電子模塊總體成本相比于傳統(tǒng)InP材料光模塊沒有顯著優(yōu)勢。市場出于對成本和穩(wěn)定性的考慮，在5G應(yīng)用下硅基光電子模塊的占比較少。

進(jìn)一步推動硅基光電子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展面臨著一系列挑戰(zhàn)。

4 挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)光通信模塊多使用InP材料，為了降低產(chǎn)品升級迭代的成本，要求硅基光電子的產(chǎn)品需要具有對InP光模塊的兼容能力。但由于硅材料本身的特征，例如硅基光電子芯片不能發(fā)光、沒有高效率的一階電光效應(yīng)、硅波導(dǎo)的有效折射率對溫度敏感等，這些都限制了硅基光電子模塊的應(yīng)用場景，為了進(jìn)一步擴(kuò)大硅基光電子技術(shù)的應(yīng)用范圍和市場規(guī)模，必須直面這些性能上的挑戰(zhàn)。

硅基光電子技術(shù)具有集成度高的優(yōu)勢。同時，較高集成度對封裝技術(shù)也提出了更高的要求，硅基光電子芯片的封裝對精度要求高、技術(shù)難度大，現(xiàn)階段硅基光電子芯片的封裝成本甚至占到了硅基光電子模塊總成本的10%左右。開發(fā)具有低成本、高可靠性的硅基光電子芯片封裝技術(shù)是硅基光電子大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)之一。

在硅基光電子芯片的研發(fā)制造上，目前的硅基光電子芯片設(shè)計多采用人工布局布線，從原理圖到版圖的準(zhǔn)確性依賴于設(shè)計者的設(shè)計能力，容易出現(xiàn)錯誤。相對電引線而言，特殊的光波導(dǎo)布線要求會耗費(fèi)大量時間。隨著硅基光電子技術(shù)的發(fā)展，片上系統(tǒng)越來越復(fù)雜，特別是硅基光電子芯片和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）芯片集成在同一芯片的單片集成應(yīng)用場景下，人工進(jìn)行布局布線和版圖－原理圖（LVS）驗(yàn)證越來越不具備可行性，硅基光電子芯片對自動化軟件的需求越來越迫切。

綜上所述，硅基光電子發(fā)展的主要挑戰(zhàn)集中在器件的性能、封裝和自動化設(shè)計等問題上[49-50]。

4.1 部分器件技術(shù)難題

4.1.1 片上光源

盡管學(xué)術(shù)界采用多種方法試圖實(shí)現(xiàn)可以單片集成的硅基光源[51-52]，但目前硅基光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)界大多依然采用混合集成方案。激光器芯片采用InP材料，并與硅基光電子芯片在各自平臺上獨(dú)立制造，之后再進(jìn)行貼裝。硅基片上光源一直沒有得到真正的解決, 成為制約硅基光電子學(xué)發(fā)展的瓶頸之一，硅的間接帶隙特征給高效硅基光源的實(shí)現(xiàn)帶來很大困難，實(shí)用化的片上硅基激光器是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界長期奮斗的目標(biāo)。

4.1.2 調(diào)制器

應(yīng)用在光通信領(lǐng)域的硅基光電子芯片需要小尺寸、低功耗、大帶寬的硅基光電子調(diào)制器[53-54]。由于對溫度不敏感，通信用硅基光電子芯片中一般以馬赫－曾德爾調(diào)制器（MZM）為首選[55]，如圖 4所示?，F(xiàn)階段MZM的帶寬獲得了較大提升，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了帶寬高達(dá)55 GHz的寬帶MZM[56]，但在尺寸和功耗上仍需進(jìn)一步發(fā)展。

圖4 寬帶的行波電極硅基馬赫－曾德爾調(diào)制器

MZM是硅基光電子通信芯片上尺寸較大的單元器件，其尺寸一般在毫米級別。大的單元器件尺寸降低了晶圓產(chǎn)出也增大了微波信號的損耗。開發(fā)小尺寸的硅基電光調(diào)制器不僅能夠降低成本，還能提高調(diào)制器性能。

由于硅材料沒有一階電光效應(yīng)，硅基電光調(diào)制器一般基于等離子體色散效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。等離子色散效應(yīng)調(diào)制效率較低，電光調(diào)制時所需的功耗較大[57]；同時，高速硅基MZM為了獲得更高的帶寬，通常采用耗盡式行波電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)制。耗盡式調(diào)制方式所需的直流偏置電壓將會與行波電極終端的匹配電阻[58]形成直流回路，這一直流功耗導(dǎo)致高速硅基MZM的功耗進(jìn)一步升高。為了降低高速調(diào)制器的損耗，研究人員采取了很多措施，比如采用特殊摻雜區(qū)結(jié)構(gòu)的調(diào)制器[34,59-60]、采用分段集總式電極替代行波電極[61-62]、通過鏤空襯底減小微波信號的損耗[63]、通過利用 CMOS 電路進(jìn)行單片集成[64]和先進(jìn)的封裝技術(shù)降低損耗[65-66]等，硅基光電子芯片的能耗問題得到了一定程度的緩解。

4.1.3 波分復(fù)用器件

波分復(fù)用器件通常要求波導(dǎo)擁有相對穩(wěn)定的有效折射率，才能穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)不同波長光信號的分/合波。硅是具有熱光效應(yīng)的材料，其熱光系數(shù)大約為1.85×10-4，普通硅基光電子波分復(fù)用器件需要額外的控制手段穩(wěn)定器件工作時的環(huán)境溫度，否則將會產(chǎn)生嚴(yán)重的工作波長的漂移或者通道串?dāng)_，但溫度控制設(shè)備會增加光模塊整體的功耗[67]。溫度不敏感的波分復(fù)用器件是實(shí)現(xiàn)魯棒波分復(fù)用的關(guān)鍵器件，業(yè)界采用了多種辦法實(shí)現(xiàn)硅基集成化波分復(fù)用器件，例如將反射式階梯光柵結(jié)構(gòu)引入硅基光電子芯片中[12]、通過特殊設(shè)計利用實(shí)現(xiàn)工作波長穩(wěn)定的級聯(lián)馬赫－曾德爾干涉儀（MZI）[68-71]等。目前硅基光電子芯片偏向于使用級聯(lián)MZI的方案實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定的波分復(fù)用器件，如圖5所示，但基于級聯(lián)MZI的波分復(fù)用器件難以符合局域網(wǎng)波分復(fù)用（LWDM）和中等波分復(fù)用（MWDM）等通道間隔較為密集的波分復(fù)用方案標(biāo)準(zhǔn)的要求。硅基集成的溫度不敏感波分復(fù)用器件仍有待突破。

圖5 溫度不敏感片上波分復(fù)用器件

5 硅基光電子芯片封裝技術(shù)

對硅基光電子芯片的封裝主要分為高頻電學(xué)封裝和光學(xué)封裝兩部分。硅基光電子芯片的高頻電學(xué)封裝技術(shù)和微電子芯片的封裝技術(shù)重合度較高，目前技術(shù)相對成熟[72-75]。但隨著通道數(shù)量的增多和復(fù)雜信號調(diào)制格式的引入，引線電極越來越多，對外圍封裝板的I/O密度要求將會大幅度增加，封裝難度也相應(yīng)提升。

與硅基光電子芯片的電學(xué)封裝相比，硅基光電子芯片的光學(xué)封裝技術(shù)難度高、良品率低，是硅基光電子芯片封裝技術(shù)的核心所在[76-77]。由于硅基光波導(dǎo)芯層和包層之間的折射率差異較大，單模硅基光波導(dǎo)尺寸較小，這一方面使得硅基光電子芯片的集成度比InP芯片集成度要高，同時也帶來了硅基光波導(dǎo)和單模光纖模斑尺寸不匹配的問題[78]，如圖6（a）所示。增大了硅基光波導(dǎo)和普通單模光纖耦合時的模斑失配損耗和位置誤差損耗。為了滿足光模塊的出光功率要求，硅基光模塊需要更高功率的激光器光源，衍生出能耗和散熱控制方面的問題。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界開發(fā)出多種片上波導(dǎo)模斑轉(zhuǎn)換器[79-83]，將硅基光波導(dǎo)的模斑尺寸擴(kuò)大到5～8 μm，獲得相對較好的效果。

另外，硅基光電子芯片通常將發(fā)射和接收多種功能集成在同一塊芯片，使得硅基光電子芯片的光學(xué)I/O端口數(shù)量較多，通常使用光纖陣列實(shí)現(xiàn)硅基光電子芯片上光信號的耦合，如 圖6（b）所示。封裝使用的光纖陣列精確度也對光學(xué)耦合封裝效果有較大影響。在使用光纖陣列封裝時，光纖陣列中光纖之間的間距一般為127 μm或者250 μm[84]。封裝使用的光纖陣列精確度也對光學(xué)耦合封裝效果有較大影響。目前夾持光纖的V形槽的加工精度不夠高，位置誤差很有可能超過模斑范圍，導(dǎo)致光纖陣列中的某一路甚至某幾路無法精確對準(zhǔn)。一般需要加工后通過測試挑選出精度較高的光纖陣列，良品率較低。

圖6 硅基光電子芯片封裝上的挑戰(zhàn)

目前硅基光電子模塊中針對硅基光電子芯片的封裝成本大約要占到總成本的 10% 以上。需要開發(fā)新穎的高效率、低成本硅基光電子芯片耦合封裝方式，才能進(jìn)一步發(fā)揮硅基光電子模塊的成本優(yōu)勢[85-89]。

6 自動化設(shè)計

相對于成熟的電子設(shè)計自動化（electronic design automation，EDA）工具來說，硅基光電子芯片的設(shè)計工具目前正處于發(fā)展階段，硅基光電子芯片和微電子芯片不同，直角等非連續(xù)彎曲幾何形狀的變化會引起光的散射和反射損耗。波導(dǎo)和波導(dǎo)之間的連接要求也要平滑過渡，標(biāo)準(zhǔn)版圖文件所支持的多邊形與實(shí)際連續(xù)曲線之間存在細(xì)微的差異，可能會影響光路性能[90]。

在硅基光電子芯片的研發(fā)設(shè)計方面，由于硅基光電子單元器件的仿真比較復(fù)雜且工藝敏感，如果不執(zhí)行全面的器件仿真（電磁、電光和熱特性）和工藝仿真（TCAD）[91]，很難確定版圖上的器件能否實(shí)現(xiàn)原理圖中所預(yù)設(shè)的功能。目前硅基光電子的設(shè)計依靠設(shè)計人員對所有細(xì)節(jié)的把控，自動化程度較低。隨著芯片集成度越來越高，硅基光電子芯片對自動化軟件的需求會越來越迫切。

國外EDA軟件公司在傳統(tǒng)EDA軟件的基礎(chǔ)上融合光學(xué)仿真與光器件工藝設(shè)計包（PDK）實(shí)現(xiàn)對硅基光電子芯片設(shè)計的支持，這一方向發(fā)展迅速[92]。而國內(nèi)目前基本沒有專業(yè)從事EDA軟件開發(fā)的商業(yè)機(jī)構(gòu)，尚處于起步階段。

7 工藝平臺

硅基光電子工藝流程基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝開發(fā)，國外的Intel、IMEC、IME、ePIXfab等已在硅基光電子芯片加工制造方面具有多年技術(shù)積累，而國內(nèi)硅基光電子工藝平臺處于起步階段。重慶聯(lián)合微電子、中科院微電子所、上海微技術(shù)工業(yè)研究院等單位正在致力于8英寸硅基光電子工藝線的建設(shè)[49-50]。

硅基光電子芯片對工藝的要求和微電子有所不同，雖然目前硅基光電子芯片的工藝節(jié)點(diǎn)一般為0.13 μm，但是由于硅基光電子器件尺寸小、硅基光電子波導(dǎo)對側(cè)壁光滑度要求高等原因[93-95]，硅基光電子器件對工藝誤差非常敏感，幾納米的誤差都有可能完全改變器件的性能[96]。不同代工廠對硅基光電子芯片的工藝誤差控制能力不同，同一設(shè)計在不同的工藝平臺加工可能會具有完全不同的測試結(jié)果，硅基光電子芯片設(shè)計的跨平臺遷移能力弱，使得代工廠的PDK器件庫建設(shè)顯得更加重要。

代工廠提供的PDK器件庫是代工廠根據(jù)工藝條件反復(fù)優(yōu)化后的結(jié)果，其性能指標(biāo)相對準(zhǔn)確可靠。但目前硅基光電子的晶圓代工廠PDK套件通常僅包含20～50個基本單元，且定制化程度低。不足以支撐復(fù)雜的硅基光電子芯片通信系統(tǒng)設(shè)計，部分單元器件需要客戶自行設(shè)計并進(jìn)行多次流片優(yōu)化，硅基光電子芯片的器件庫標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)仍有待完善[97]。同時，硅基光電子芯片設(shè)計公司也需要和代工廠深度合作，深入了解代工廠的工藝條件，合作開發(fā)并完善器件庫。

8 結(jié)束語

本文回顧了硅基光電子技術(shù)在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展歷史，指出了硅基光電子技術(shù)對于光通信領(lǐng)域而言是新的歷史機(jī)遇，分析了硅基光電子技術(shù)目前的不足與挑戰(zhàn)。硅基光電子技術(shù)的高集成度、低成本、與CMOS工藝兼容等特點(diǎn)將推動光通信進(jìn)一步發(fā)展，與此同時，硅基光電子技術(shù)在器件性能、封裝工藝和自動化設(shè)計等方面面臨挑戰(zhàn)，硅基光電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展有待于在這些難點(diǎn)上取得突破。