《硅基光电子集成技术前沿报告（2020年）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硅基光电子集成技术前沿报告（2020年）（20页珍藏版）》请在中国通信学会知识平台上搜索。
1、CIC中国通信学会 硅基光电子集成技术硅基光电子集成技术 前沿报告前沿报告 （20202020年年） 中国通信学会中国通信学会 2020年年12月月 CIC中国通信学会 版权声明版权声明 本前沿报告本前沿报告/ /白皮书白皮书版权属于版权属于中国通信学会中国通信学会，并受法律，并受法律 保护保护。转载、摘编或利用其它方式使用转载、摘编或利用其它方式使用本报告文字或者观点本报告文字或者观点 的，应的，应注明注明“来源：来源：中国通信学会中国通信学会” 。违反上述声明者，本。违反上述声明者，本学学 会会将追究其相关法律责任。将追究其相关法律责任。 CIC中国通信学会 专家组和撰写组名单专家组和撰写。
2、组名单 专家组：专家组： 组长：组长： 余少华 中国信息通信科技集团有限公司 副总经理 中国通信学会副理事长 光通信委员会主任委员 中国工程院 院士 副组长：副组长： 肖 希 国家信息光电子创新中心 总经理 中国通信学会 光通信委员会副主任委员 成员：成员： 姓名 单位 职务 郑彦升 国家信息光电子创新中心 副总经理 傅焰峰 国家信息光电子创新中心 总监 王 磊 国家信息光电子创新中心 经理 江 毅 武汉光迅科技股份有限公司 经理 撰写组撰写组： 单位 姓名 国家信息光电子创新中心 王磊 国家信息光电子创新中心 林涛 CIC中国通信学会 前前 言言 通信用光电子正从分离器件向集成化方向加速发展。
3、。 传统通信用 光器件主要基于 III-V 族半导体材料研制，近年来在尺寸、成本、功 耗以及 “与电芯片一体化” 等方面面临挑战。 硅基光电子集成技术 （简 称 “硅光技术” ） 是光子集成的重要方向。 其基于硅材料， 并借鉴大规 模集成电路工艺中已成熟的 CMOS 工艺进行光器件制造，具有低成 本、低功耗、微小尺寸和“与集成电路工艺一体化”的优势，一经提 出便得到产业界广泛关注，被认为是“光层的创新主线” 。不过硅材 料属间接带隙半导体材料， 需要借助混合集成技术解决片上光源和光 放大等难题。 鉴于国家部委领导、 业内技术专家等都非常关心硅光技术未来发 展， 中国通信学会光通信委员会联合国家。
4、信息光电子创新中心等单位 专门组织专家进行研讨，并凝练形成“2020 前沿技术报告”一份。该 报告系统地介绍了硅光技术诞生背景、技术定义与特点、国内外发展 现状等几方面情况， 在此基础上针对微电子与光电子融合技术难题和 挑战，提出了硅光子芯片技术发展趋势预测和相关政策建议。 中国通信学会光通信委员会 副主任委员： 2020 年 12 月 CIC中国通信学会 目目 录录 一、一、 微电子技术、光电子技术与硅光技术微电子技术、光电子技术与硅光技术 . 1 二、二、 硅光技术定义与特点硅光技术定义与特点 . 3 （一）超高兼容性 . 3 （二）超高集成度 . 4 （三）强大的集成能力 . 5 （四）。
5、超大规模制造能力 . 6 三、三、 国内外硅光技术和产业发展现状国内外硅光技术和产业发展现状 . 7 四、四、 硅光技术中微电子与光电子融合的难题和挑战硅光技术中微电子与光电子融合的难题和挑战 . 10 (一) 急需构建适用于大规模光电集成芯片的元器件库 . 10 (二) 急需加强光电子融合芯片的工艺能力和基础积累 . 11 (三) 急需强化光电子融合芯片的架构设计能力 . 11 (四) 急需增强光电子融合芯片的封装及调控技术 . 11 五、五、 硅光技术发展前景展望以及相关政策建议硅光技术发展前景展望以及相关政策建议 . 12 CIC中国通信学会 1 一、 微电子技术、光电子技术与硅光技术 。
6、自从 1958 年第一颗集成电路，特别是 Intel CPU 发明以来，微电 子技术便一直遵循着摩尔定律发展， 已经成为信息社会发展的主要驱 动力之一。在过去的半个世纪里，微电子芯片的集成规模提升了十亿 倍以上。据悉，采用 5nm CMOS 工艺的苹果处理器芯片 A14 内部已 集成了 150 亿颗晶体管， 其运算性能可比肩目前性能最强的 MacBook 笔记本电脑。 我们生活中的每个角落都充斥着各种各样的微电子芯片， 它们感知、处理并产生了海量的信息，让人类社会变得越来越智能和 便捷，但是这些数字化信息的传递和通信成为一大难题。 为了解决信息传输问题， 人们注意到了另一种信息载体光子。 光子。
7、可以以宇宙中最高的速度传输， 其传输速率不会随着传输通道变 窄而变慢，而且不易发生串扰，因此十分适合信号的通信和传输。相 比于电导线互连，光通信技术具有超高速率、超大容量、超长传输距 离和超低串扰等显著优势， 因而被广泛地应用在电信网络、 卫星通信、 海底通信、数据中心和无线基站等通信设备中。目前，人类社会超过 95%的数字信息需要经过光通信技术来传播，其重要性不言而喻。光 通信系统所必需的光源、 调制 （电信号转换为光信号） 、 传输、 控制、 探测（光信号转换为电信号）等功能都需要通过光电子器件来实现。 研究和利用光电子器件中的光子和电子相互作用机制和功能的技术 则被称为光电子技术。 集成。
8、多种光电子元器件功能的芯片也就被称为 光电子集成芯片，或简称为光芯片。 在微电子技术和光电子技术这两大支撑性技术的共同发展和推 CIC中国通信学会 2 动下，我们已经逐渐构建起一个“电算光传”的信息社会。然而，随 着微电子芯片和光电子芯片的物理极限被不断迫近， 两大技术都面临 着严峻的挑战。一方面，微电子“摩尔定律”接近终结。微电子芯片 内部集成度不断提高， 晶体管尺寸不断微缩导致量子效应的影响加剧， 晶体管的不可靠性显著增加。此外，微电子芯片所产生的大量信号无 法有效地通过其内部的精细电导线传递出来， 出现了“茶壶里煮饺子 倒不出来”的信息拥堵现象，成为困扰微电子芯片升级的一大瓶颈。 另一方。
9、面，随着网络流量爆发式增长，在光通信领域也存在类似于 “摩尔定律”的现象，即网络流量每 9-12 个月翻一番，骨干光通信 设备每 2-3 年才升级一次。只有将光器件和光芯片做得更快、更小、 更便宜才能满足人们对“提速降费”的刚性需求。 在微电子和光电子 产业的共同发展和需求引导下，硅光技术便应运而生。 图 1 硅基光电子集成芯片概念图 CIC中国通信学会 3 二、 硅光技术定义与特点 所谓硅光技术，即研究和利用硅材料中的光子、电子及光电子器 件的工作机理和光电特性，采用与集成电路兼容的微纳米加工工艺， 在硅晶圆上开发制备光电子芯片的技术。 硅光芯片结合了集成电路技 术的超大规模、超高精度制造的。
10、特性和光子技术超高速率、超低功耗 的优势。经过 20 余年的快速发展，得益于大容量数据通信场景的日 益增加以及新需求、新应用的出现，硅光芯片技术研究已逐渐从学术 研究驱动转变为市场需求驱动。如今，我们可以在硅芯片上实现包括 调制器在内的所有光子功能的单片集成， 也可以采用同一套流片工艺 将硅光子功能元件与微电子集成电路进行一体化集成。 这种前所未有 的光电融合能力，给未来芯片性能的飞跃带来无限的可能性。 硅光技术到底有多重要？我们从专家学者的评价中可一窥究竟。 Intel 数据中心集团执行副总裁 Diane Bryant 认为：“硅光技术是 20 世纪最重要的两项发明的组合，即硅集成电路和半导。
11、体激光器。”思 科首席技术官与首席架构师 Dave Ward 称： “硅光子是当今专用集成 电路中最具发展前途的事物， 是唯一一种能够解决长期技术与商业需 求的颠覆性技术。 ”那么到底为什么硅光芯片具有如此大的吸引力？ 总地来说，其主要优势可以归纳如下： （一一）超高兼容性超高兼容性 硅材料是良好的光学材料，对于波长为 1.18 微米的光波近乎无 损透明，因此完全与光通信器件的 1.31.6 微米工作波段兼容。这意 味着各类光通信器件可直接应用于硅光芯片， 同时硅光芯片也可以很 CIC中国通信学会 4 好地适应已有的光通信技术标准。如今，传输距离 500m 以上的光收 发模块均可采用硅光芯片来。
12、实现。 图 2 不同传输距离的光芯片应用情况 （二二）超高集成度超高集成度 与微电子不同，光芯片尺寸不依赖于加工工艺的精细度，而通常 被光波导和弯曲半径大小所限制。 硅基材料平台具有高折射率和高光 学限制能力，可以将光波导宽度和弯曲半径分别缩减至仅约 0.4 微米 和 2 微米，其集成密度相比于传统的硅基二氧化硅（PLC）和磷化铟 （InP）光芯片有望提高百倍以上。光芯片尺寸缩减也随之带来低成 本、低功耗、高速、超小型化和超轻超薄等独特优势。 CIC中国通信学会 5 图 3 同一功能的 PLC、InP、硅光芯片的尺寸对比 （三三）强大的集成能力强大的集成能力 丰富多样的光学功能、 高密度光子集。
13、成和光电一体化集成是硅光 芯片的先天优势。以往传统光芯片通常只能完成个别或部分功能，因 此要实现完整功能的光收发模块， 需要将不同材料的光芯片多次封装， 然后拼接组装到一起，导致效率低下且成本高昂。而硅光技术可以在 同一芯片上集成光学系统所需的各类光子、电子、光电子器件，甚至 微电子集成电路。通过研究人员的努力，如今我们在一块硅光芯片集 成的功能已可以取代以往一个笔记本电脑大小的模块，其一致性、稳 定性和可靠性的工业优势也十分突出。 CIC中国通信学会 6 图 4 传统的光模块结构与 100Gb/s 硅基光电子芯片的对比 （四）（四）超大规模制造能力超大规模制造能力 和微电子一样， 硅光子芯片。
14、的生产制造也基于CMOS和BiCMOS 等集成电路工艺线。 因此充分利用微电子芯片生产线的闲置或淘汰产 能， 可直接将成熟的集成电路工艺直接应用于硅光芯片的超大规模生 产制造。近年来，台积电、Intel、GlobalFoundries 等 CMOS 晶圆厂均 开发出了商用化硅光芯片工艺流程， 硅光芯片的开发流程也参考和借 鉴了微电子对应的设计方法、仿真工具、封装测试等经验和手段。可 以说硅光技术从诞生开始就站在微电子行业“巨人的肩膀上”， 其持 续升级工艺和超大规模产能是硅光区别于其它光芯片技术的优势。 图 5 与微电子趋同的硅光芯片自动化开发流程 CIC中国通信学会 7 三、 国内外硅光技术。
15、和产业发展现状 回顾过去，其实硅光技术的发展道路并不平坦。硅基光芯片这一 概念最早在上个世纪 90 年代初被提出，诞生伊始主要瞄准在芯片内 部以光互连取代电互连。然而，受工艺和设计上的限制，在早期很长 一段时间内该技术并没有获得足够的关注和投入。 直到 2004 年， Intel 研制出第一款 1Gb/s 速率的硅光调制器之后，人们才看到硅芯片中 “光进铜退”的可能性。其后，在 IBM、康奈尔大学、贝尔实验室、 MIT 等单位共同推动下，硅光芯片工作速率在 2013 年左右达到了 50Gb/s，首次超越当时主流的光电子器件，硅光芯片的产业化大幕就 此揭开。 图 6 硅光技术发展历程 如今， 在。
16、 Intel、 Cisco、 国家信息光电子创新中心等领军企业的持 续大力投入之下，硅光产业链不断完善，技术标准相继形成，已逐渐 从学术研究驱动转变为市场需求驱动的良性循环。在通信领域，已基 本建立了面向数据中心、光纤传输、5G 承载网、光接入等市场的一 CIC中国通信学会 8 系列硅光产品解决方案。 根据行业调查机构的预测， 2020 年硅光模块 市场将达到 7.4 亿美元，预计至 2024 年仅 100G-400G 硅光模块市场 容量即可达到 55 亿美元， 在整个光通信模块市场占比达到 1/3 以上。 在量子技术领域， 研究人员通过在硅光芯片上集成数百个光量子器件 已研制出集成度最复杂的光量子芯片，实现了高维度、高精度、高稳 定性和可编程的量子纠缠、量子操控、量子传输和量子测量。在传感 领域，MIT、Voyant Photonics 等多个团队推出基于硅基光学相控阵 (OPA)芯片的全固态激光雷达 （LiDAR） ， 具有集成度高、 扫描速度快、 体积小、成本低等优势，可以用作无人驾驶、无人机及机器人的“眼 睛”，成为下一代激光雷达的重要革新。在人工智能（AI）领域，AI 处理器。