1.1 研究目的及意义

硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料（如 SiGe/Si、SOI等），利用互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺进行光器件的开发与集成，并利用这些器件对光子进行发射、传输、检测和处理，以实现其在光通信、光互连、光计算等领域中的实际应用。

硅光子器件与产品可分为三个层次:硅光器件、硅光芯片、硅光模块。硅光器件是硅光子技术的基本功能单元，主要分为无源器件和有源器件两大类，无源器件包括光波导、耦合器、复用/解复用器、衰减器和滤波器等；有源器件包括激光器、调制器、探测器等。硅光集成芯片是将若干基本器件进行集成，按功能可分为光发送集成芯片、光接收集成芯片、光收发一体集成芯片，以及相同功能器件的阵列化集成芯片，如探测器阵列芯片、调制器阵列芯片等。硅光模块是最终系统级的产品形式，将硅光器件/芯片、外部驱动电路等集成到一个模块，按功能可分为光发送模块、光接收模块、光收发一体模块。

目在高性能计算领域, 微处理芯片由单核单线程向多核多线程发展, 芯片中间的互连技术变得越来越重要。互连技术正朝着高速率和高密度集成发展, 以满足多核间以及芯片与外部间高效、大容量信息传输的需要。然而，随着微电子技术的进一步发展，现有的电互连技术将无法满足微处理芯片功能增长的需求，这主要是因为金属互连的寄生效应在高速率传输中会引起电信号的剧烈衰减和功耗大幅上升。电互连技术这一传输极限未来将无法满足数据中心通信和云计算产业的发展需求,需要更快的传输速度，片上光互连技术已经成为急待解决的关键性技术。

传统光器件主要基于 III-V 族半导体、晶体等材料。以有源器件普遍采用的磷化铟（InP）和砷化镓（GaAs）材料为例：一方面晶圆尺寸小，且长期以来受需求量小等限制因素，自动化投入产出不成比例，生产制造仍停留在手工和半自动状态，规模化生产能力有限；另一方面，属于稀有材料，成本高，且难以制作电子元件，光、电器件需要独立的制造平台。与传统光器件相比，硅光子技术具备以下优势：第一，硅基材料成本低，并可利用CMOS在集成电路领域的投资、设施和经验，大幅提高光器件制造工艺水平，进一步降低成本；第二，硅基材料阻抗低，器件驱动电压低，从而功耗较低；第三，硅基材料及技术可以提供光子和电子的统一制造平台，为芯片级光电集成提供途径，为此，将微电子和光电子结合起来, 充分发挥硅基微电子先进成熟的工艺技术、高密度集成及价格低廉以及光子极高带宽、超快传输速率和高抗干扰性的优势的硅基光电子学已经成为了信息技术发展的必然和业界的普遍共识。

1.2 国内外研究现状

近年来，硅基光互连、光传输和光交换的产品与技术方案不断推出。IT 企业方面，Intel在 2011 年发布 Light Peak，实现计算机与其它装置间的互连；2013年与富士通联合打造基于光学 PCI-E 的服务器；2015 年宣称在新一代至强处理器中集成了硅光互连接口；2016年推出100Gbit/s QSFP28 硅光模块，并表示未来将推出更高速率的 400Gbit/s 硅 光产品。IBM 在2012年利用100nm 以下工艺，在单颗硅芯片上整合了速率达25Gbit/s 的多种光学部件和电子电路；2015年将硅光阵列整合到更靠近CPU的封装内。在器件模块商方面，Mellanox在2013年相继收购了硅光子先驱Kotura和并行光互连芯片商 IPtronics；2014 年推出 100Gbit/s 四通道小型封装可插拔（QSFP）有源光缆产品；2016 年展示了 50Gbit/s 硅光子调制和探测元器件；2017年发布 200Gbit/s QSFP 硅光模块。Molex 收购了硅光子先驱 Luxtera，2015 年推出 100Gbit/s QSFP28 和并行单模的 PSM4 硅光模块；2017 年发布基于两路粗波分复用的100Gbit/s CWDM2硅光模块。Acacia 主要瞄准电信高速传输市场，基于硅光子和低功耗数字信号处理（DSP）技术，推出 100Gbit/s、200Gbit/s、400Gbit/s 相干光模块。在设计工具提供商方面，近两年硅光子设计工具的推出相对频繁，美国集成光电制造创新中心研发出硅光子集成工艺设计工具包（PDK）；VPI 与硅光子设计软件工具提供商Lu-ceda 合作开发了针对自动光子线路设计输出的工具；IMEC 发布了 ISIPP50G PDK 集成硅光子平台等。

在国内, 近年来在国家重点基础研究发展计划、国家高技术研究发展计划、国家自然科学基金等支持下, 中国科学院半导体研究所、北京大学、浙江大学、南京大学、华中科技大学、上海交通大学等单位从多方面对硅基光电子技术开展了研究, 取得了一定的研究成果。在硅基调制器方向上, 中科院半导体所研制出世界上速率最快的硅基调制器和低能耗的调制器，在探测器方向上，中科院半导体所实现了在低温下生长缓冲层上生长锗材料, 并能实现 12 路锗-硅光电探测器阵列的制造, 其探测带宽在 20 GHz 以上, 性能良好。在片上集成方面, 北京大学正在研制100 Gbs 硅基相干发射及传输系统. 已经证明单路发射与接收可以达到 30 Gb/s, 并在 80 km 传输情况下显示了比其他技术有更好的能耗效率。在系统设备商方面，通过并购或合作积极布局硅光子研发，呈现出产业链下游环节向上游延伸的整合趋势。华为公司 2012 年和 2013 年分别收购了英国和比利时的硅光公司 CIP Technologies 和 Caliopa，吸收了两家公司在集成器和硅光技术运用领域的优势，主打小型高容量硅光芯片。2014年，公司宣布与 IMEC合作,聚焦于光学数据链路技术。

2. 研究的基本内容与方案

硅基光电子技术是硅基半导体技术和光电子技术的结合，主要包含硅基光子材料、硅基光子器件和硅基光子集成等方面。其中硅基光电子学关键器件包括硅基LED、激光器、探测器、调制器、滤波器、混频器、偏振器、光栅、波导等。硅基光子集成有光电混合集成和单芯片集成方案。本次研究的基本内容是分析硅基光电子目前国内外研究现状、主流技术和主要待解决问题。着重研究硅基光子器件及其集成技术，分析各光器件特性和实际系统构成，研究光子器件和电子器件的光电互连、耦合等兼容问题。

图1 片上光互连过程框图