光子芯片技術發展現狀及趨勢

　　目前，光子芯片技術已經由硅光子集成技術向納米光子學范疇邁進。在材料方面，石墨烯等先進材料的研究也有望將光子芯片技術的應用推向新的高度。隨著光子技術的不斷發展，光子技術將幫助突破計算機電子技術的局限;通過大幅增加數據容量和提高數據傳輸速度，它將推動通信行業進入太比特時代，同時降低碳足跡和單位成本。

　　業界普遍認為，光子學具有類似于電子學的發展模式，都是由光子器件向光子集成，光子系統方向發展。

　　大規模集成電路已經走了近五十年的歷程。其主流技術CMOS的集成度每18個月翻一番(摩爾定律)。集成度的提高使芯片的功能成百上千倍的增強。現代科技可以說是以此為基礎的。而集成光路技術的發展會帶來同樣的效應。集成后的光器件除了功能上的益處外，其在總體成本上的益處比起集成電路來更勝一籌。由于單立光器件的封裝成本要占到器件成本的2/3，集成可以大規模降低單立光器件的數量，從而降低總體的成本。同時，封裝界面的減少也會是集成器件的性能成倍的提高。

　　目前比較經濟的發展思路是將集成光子工業基于微電子工業之上，使用硅晶作為集成光學的制造平臺。這將使全球歷時五十年、投入數千億美元打造的微電子芯片制造基礎設施可以順理成章地進入集成光器件市場，將成熟、發達的半導體集成電路工藝應用到集成光器件上來，一下子將集成光學工業的水平提高。這正是目前發展良好的硅光子技術的發展思路。

　　Computercom Driving Development and Large-Scale Deployment of Parallel Optical Transceivers

　　雖然硅光子還面臨很多技術瓶頸，但在整個產業界的向心力下，正在被一個一個的克服，產業界對硅光子大規模商用也抱有極大的信心。尤其是數據中心的短距離應用，讓硅光子找到了最合適的用武之地。數據中心的巨大潛力，以及英特爾等廠商的大力推動，促使硅光子的研發進程進一步加速。目前，硅光子技術已經進入集成應用階段。

　　根據Yole Développement在2014年針對硅光子產業的報告，硅光子的產業鏈與電子集成電路的產業鏈相似，上游主要包括晶圓、制造設備和原材料供應商，中游則是負責設計、制造和封裝的芯片公司，下游則主要分為光互連公司、服務器公司和谷歌、亞馬遜、微軟等最終用戶公司。Yole Développement認為，最終用戶公司是硅光子技術在數據中心方面研發的主要驅動力。

　　硅光子技術的應用挑戰主要來自技術方面。激光光源的集成便是一個主要技術挑戰，對此，銻化銦芯片上的激光芯片后端處理或將是一個值得關注的方法。功耗問題也很重要。目前的功耗水平大約在10pJ/bit，2025年的目標是要將功耗降低到200fJ/ bit以下。此外，產業界也需要從并行光纖發展至波分復用技術(wavelength division multiplexing，WDM)，大多數廠商都在其產品路線圖中規劃了波分復用技術。

　　封裝也是目前的主要技術障礙，約占最終收發器產品成本的80~90%，主要由于光學校準要求非常嚴格，并且增加了組裝所需要的時間。現在，MEMS技術或能幫助解決這些問題，Kaiam公司和Luxtera公司在這方面做了很多開拓性的工作，并建立了一些方案來提供低成本光子組裝試驗產線，尤其是在歐洲。這些技術挑戰都和成本相關，目標是從目前的5美元/Gb，到2020年降至0.1美元/Gb以下。

　　雖然硅光子技術供應鏈正在逐步形成過程中，落后主流的硅半導體供應鏈好多年。然而，縱觀全球，大舉的研發并購和相關項目正在進行，為現有廠商做好知識產權布局。對于外包半導體組裝和測試廠商來說，由于市場對低成本封裝解決方案的需求，其機遇也必定會增加。隨著晶圓消耗數量的增長，將驅動成本不斷降低，硅光子代工廠必定會涌現出來。

　　圖表：未來硅光子集成發展路線圖

　　(top) Process integration roadmap versus photonic node

　　(bottom) schematic example of a future Si-photonics fully integrated SoC.

　　資料來源：Optoelectronics Research Centre， University of Southampton

　　目前國外的主流企業認為，硅光子下一款產品或許將會是基于硅光子技術的收發器。除此之外，硅光子技術也將應用于其它產品，如光學生物傳感器、氣體傳感器以及無人駕駛汽車應用的激光雷達傳感器等。硅光子技術能夠通過光學功能集成和微型化進一步獲得有價值的產品，由此將推動兩種特別有前景的應用發展，它們分別是無人駕駛汽車應用的激光雷達傳感器和生化傳感器。

　　美國一直注重光子產業的發展，早在1991年就成立了“美國光電子產業振興會”(OIDA)，以引導資本和各方力量進入光電子領域。2008~2013年，DARPA開始資助“超高效納米光子芯片間通訊”項目(Ultraperformance Nanophotonic Intrachip Communications，UNIC)。目標是開發和CMOS兼容的光子技術用于高通量的通訊網絡。2014年，美國建立了“國家光子計劃”產業聯盟，明確將支持發展光學與光子基礎研究與早期應用研究計劃開發，支持4大研究領域及3個應用能力技術開發，并提出了每一項可開發領域的機會和目標。

　　美國以IBM、Intel、Luxtera公司為代表，近年來都在光互連技術研發方面取得了不錯的成績。

　　IBM demos first fully integrated monolithic silicon photonics chip

　　日本發展光電子技術時間也較早，1980年，為推動光電子技術的發展，日本成立了光產業技術振興協會(OITDA)。在產業化及市場方面，由于光電領域的重大技術發明多產生于美國，因此，早期日本政府主要是靠引進外國技術進行消化吸收，后期則是自主創新過程。2010年，日本開始實施尖端研究開發資助計劃(FIRST)，該計劃由日本內閣府提供支援。FIRST計劃是從600個提案中選出30個核心科研項目予以資助，項目資助的總金額達到1000億日元。光電子融合系統基礎技術開發(PECST)是FIRST計劃的一部分，以在2025年實現“片上數據中心”為目標。

　　硅光子技術在歐洲各國也受到了廣泛的關注。2010年前，為了發展光電子集成電路(OEIC)，歐洲發起了幾大項目：PICMOS項目驗證硅回路上InP鍵合器件的全光鏈路;隨后發起的WADIMOS項目進一步驗證光網絡;英國硅光子學項目和歐洲HELIOS項目主要關注光電子集成的電信設備，可以完成SOI光子回路的晶片鍵合或光子金屬層的低溫制造。從2013開始， 歐盟的節能硅發射器使用III-V族半導體量子點和量子點材料的異質集成(SEQUOIA)項目一直在開發具有較好的熱穩定性、高調制帶寬以及可能產生平面波分復用蜂窩的混合III-V激光器。作為歐盟第七框架計劃(FP7)研發領域的具體目標研究項目(STREP)之一，IRIS項目由愛立信與歐洲委員會聯合創建，旨在利用硅光子技術，創建高容量和可重構WDM光交換機，實現在單個芯片上整體集成電路。

　　2013年，歐盟啟動4年期針對硅光子技術的歐盟PLAT4M(針對制造的光字庫和技術)項目。該項目的目的是打造硅光子技術的整個產業鏈，聚集了以法國微電子和納米技術研究中心CEA-Leti為領導的包括德國Aifotec公司等在內的15家歐盟企業和研究機構以及潛在用戶。

　　在硅基光子學研究方面，我國較早開展了相關研究，例如中科院半導體研究所的王啟明院士近年來專心致力于硅基光子學研究，主持了國家自然科學基金重點項目“硅基光電子學關鍵器件基礎研究”，在硅基發光器件的探索、硅基非線性測試分析等方面取得了許多進展。但從整體來看，我國對硅基光子學的研究與世界相比還有一定差距。

　　我國硅光子產業也處于發展初期，產業基礎較為薄弱。目前，光迅科技、華為、海信都已經在硅光子產業開展部署規劃，光迅科技已經投入研發探索硅光集成項目的協同預研模式，力爭打通硅光調制、硅光集成等多個層面的合作關節，但是國內整體技術發展距離發達國家仍有較大的差距。中國在光電子器件制造裝備研發投入分散，沒有建立硅基和 InP 基光電子體系化研發平臺。隨著國內企業綜合實力逐漸增強，以及國家集成電路產業的扶持，國內廠商需要不斷加快推進硅光子項目。