第1章 绪论

1.1 硅基光电子学

1.1.1 硅基光电子学的高速发展

随着互联网时代大数据的高速增长，社会对带宽的要求越来越高。传统的微电子行业在满足不断增长的通信、计算以及传感应用需求时面临着两大挑战：能效和成本。光子学更高的信息承载能力和更高的功率密度，可以为此提供解决方案。自20世纪70年代低损耗通信光纤和半导体光电子技术获得突破性进展以来，光通信已经成为大容量通信的标准方案，将光通信技术移植到核与核或芯片与芯片之间的通信中，具有非常大的应用潜力和良好的发展前景[1]。

近年来，随着微电子互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工艺的成熟，硅基光电子（Silicon Photonics）技术以惊人的速度发展，成为当今电子和光子技术的焦点。硅基光电子技术是将光子和电子共同作为信息载体，基于硅（Si）或与硅兼容材料的工艺平台，发展起来的大规模光电集成技术[2]。它既具有光子通信高速、大带宽、低功耗、低成本的优势，又具有 CMOS 工艺兼容性，能利用现有CMOS工艺线实现大批量低成本的制造。硅基光电子技术最有望成为光电集成的主要平台，广泛用于光电集成电路（Opto-Electronic Integrated Circuit，OEIC）和芯片级数据通信。

随着信息产业持续的指数级性能增长，全球互联网流量大幅增长，已在2016年超过270字节阈值[3]。在这一趋势下，信号处理迫切需要低成本的宽带、高密度、高速数据互连计算。拥有更高速率、更大带宽以及更低功耗的光互连技术，被公认是攻克当今通信瓶颈的有效解决方案，而硅基光电子技术正是实现光互连的最佳途径[4]。三十多年前Soref和Bennett的工作[5]，标志着硅基光电子学的曙光。近年来，在大量科研机构、高校和企业的共同努力下，硅基光电子技术迅速推进，已逐步从技术探索、技术突破进入今天的集成应用阶段。如图1.1中所示，2004年，Intel研究小组研制了首个基于金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor，MOS）电容结构的单片硅基调制器，实现了超过1 GHz的调制带宽[6]。2006年，美国加州大学圣芭芭拉分校与Intel公司首次成功研制了电驱动的硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体混合集成激光器[7]。2007年，Intel研究小组利用载流子耗尽式结构，将硅基调制器的 3 dB 带宽和数据传输率分别提升到了30 GHz和40 Gbps[8]。2008年，Luxtera公司基于当时130 nm的CMOS工艺线，开发了第一个单片集成的硅基高速光收发模块，该模块基于波分复用技术，数据传输率为4×10 Gbps[9]。2010年，硅基光电子技术的研发体制开始由学术机构推进转变为厂商主导，迎来产业化和高速发展期。目前，全球几大主要的光芯片、光器件厂商都在硅基光电子领域进行布局。2012年，Luxtera公司发布了PSM4方案的100G光模块（其中“G”表示 Gbps，下同）。2014 年，Finisar 公司推出了端到端 50G 的硅光接口。2016年，Intel公司发布了并行单模4通道（Paralell Single Mode 4 lanes，PSM4）方案和粗波分复用（Coarse Wavelength Division Multiplexer，CWDM）方案的100G光模块。同年 5 月，Acacia 公司于美国纳斯达克上市，成为首家上市的独立硅基光电子公司，标志着硅基光电子器件的产业化逐渐走向成熟。2020 年，硅基光电子技术已经迈向了新的台阶，成为400G光模块的有力选择。总而言之，硅基光电子技术的高速发展，将使半导体、芯片、光学元件和整个数据系统的新设计成为可能。

图1.1 硅基光电子技术的高速发展