隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人類對數(shù)據(jù)傳輸和處理的需求越來越高，基于硅材料的微電子技術(shù)受到了物理極限的約束、摩爾定律面臨失效的危機。在此情況下，硅基光電子集成器件憑借其小尺寸、高集成度、低功耗、與成熟的CMOS工藝相兼容等優(yōu)勢，成為了推動“后摩爾時代"技術(shù)發(fā)展的方向之一。基于硅材料的光電效應(yīng)和光學(xué)性質(zhì)，硅基光電子芯片可以實現(xiàn)對光信號的調(diào)制、檢測、放大、傳輸及處理，目前主流的硅基光電子器件包括：發(fā)光器件、調(diào)制器件、探測器件等，并且硅基光電子集成器件還具有高帶寬、高速率、高集成度、低成本等優(yōu)勢，因此在高速通信、高性能計算、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域中都具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　新型硅基激光雷達，智能駕駛的守護者

　　隨著小米Su7、華為問界等新能源車的不斷發(fā)展，人們對自動駕駛、三維成像等技術(shù)的需求也不斷增加。激光雷達作為車載應(yīng)用，主要通過發(fā)射激光束來識別和探測車輛周圍物體的方位和速度。傳統(tǒng)的激光雷達主要采用的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、易磨損、易被干擾等缺點的機械轉(zhuǎn)向探測方式，已經(jīng)無法滿足駕駛?cè)藛T的需求，因此，為了實現(xiàn)更高分辨率、更精確的測量，硅基激光器等光電子芯片吸引了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。在激光雷達系統(tǒng)中，硅基光電子芯片的重要性主要體現(xiàn)在以下幾個方面

　　(1)硅基光電子芯片可以實現(xiàn)微型化的波導(dǎo)和分束器，用于將激光束分束成多個方向并進行定向發(fā)射，這些波導(dǎo)和分束器的微型化和集成化可以大大減小激光雷達系統(tǒng)的體積和重量，提高其在車輛、機器人和無人機等移動設(shè)備上的應(yīng)用性;(2)通過在芯片上集成光探測器，可以實現(xiàn)激光束反射信號的接收，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，從而大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及減小成本、功耗，進而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性;(3)硅基光電子芯片的光調(diào)制器可以用于調(diào)制激光束的相位和強度，實現(xiàn)激光雷達系統(tǒng)中的信號調(diào)制和解調(diào)，這些光調(diào)制器的微型化和集成化可以提高系統(tǒng)的性能和靈活性，并支持多種工作模式和應(yīng)用場景;(4)硅基光電子芯片還可以集成光濾波器，實現(xiàn)在選擇特定波長激光信號的同時濾除其他波長的干擾信號，從而實現(xiàn)更精確的目標(biāo)識別和跟蹤。

　　圖1 基于硅基片上激光雷達的全視野成像示意圖

　　硅光新時代的互聯(lián)與通信

　　光通信是硅基光電子芯片的主戰(zhàn)場之一。硅基光子芯片的發(fā)展，高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)母锩赃M步，通過與微電子電路進行集成，還可以在減少芯片上的器件數(shù)目、提高互連密度的同時，實現(xiàn)超高速、超高帶寬、低延時的片上互連。針對片上光信號處理的重要需求，浙江大學(xué)戴道鋅教授團隊提出了一種可編程硅光信號處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)延時、微波光子波束形成、任意光信號濾波和任意波形產(chǎn)生等多種功能。基于硅基光子芯片在通信與互聯(lián)領(lǐng)域的藍海市場，近年來光迅、華為、賽勒光電等企業(yè)也不斷在硅光市場開展產(chǎn)業(yè)布局，硅光互連芯片的研究進展在近年來取得了顯著的突破：2021年，中國信科集團聯(lián)合國家信息光電子創(chuàng)新中心、鵬城實驗室等機構(gòu)，完成了1.6 Tb/s硅基光收芯片的聯(lián)合研制和功能驗證，該芯片在單顆硅基光發(fā)射芯片和硅基光接收芯片上集成了8個通道的高速電光調(diào)制器和高速光電探測器，每個通道可實現(xiàn)200 Gb/s PAM4高速信號的光電和電光轉(zhuǎn)換，該成果標(biāo)志著中國硅光芯片技術(shù)實現(xiàn)了Tb/s級的一次跨越;2023年，NVIDIA開發(fā)用于實現(xiàn)高通量、高能效的光學(xué)NVLink連接的硅基光電子技術(shù)。在未來，隨著硅基光電子技術(shù)在帶寬、速率、抗干擾及超大規(guī)模集成等方面優(yōu)勢的進一步增強，其應(yīng)用將推動通信、數(shù)據(jù)中心的進一步發(fā)展。

　　圖2 傳統(tǒng)光模塊與硅光模塊工作原理

　　硅光芯片與生物傳感

　　生物傳感器能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)、核酸等結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)變成聲、光、電等信號，因此在藥物研發(fā)、生物診斷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。基于硅光技術(shù)高靈敏度、高集成度和低損耗的特點，硅基光電子芯片成為了生物傳感領(lǐng)域中快速發(fā)展的研究方向之一。硅基光電子芯片可以集成成百上千個微型傳感器單元，形成傳感器陣列，用于同時檢測多種生物分子，這種傳感器陣列可以實現(xiàn)高通量、高效率的生物分子檢測，加快分析速度，降低成本，提高檢測靈敏度和準(zhǔn)確性。通過在芯片上集成光學(xué)探測器和波導(dǎo)，可以實現(xiàn)對細胞形態(tài)、大小、數(shù)量、位置和運動等信息的實時監(jiān)測和成像，從而實現(xiàn)對細胞生物學(xué)過程的深入理解。根據(jù)傳感原理的差異，可以將硅基生物傳感器分為基于折射率變化、熒光技術(shù)及拉曼散射的生物傳感。總的來說，硅基光電子集成器件在生物傳感方面的應(yīng)用有助于實現(xiàn)生物分子的高靈敏度、高選擇性和實時檢測，推動生物傳感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

　　圖3 用于生物傳感的硅基光電子芯片

　　基于硅光集成芯片的光量子技術(shù)，

　　與傳統(tǒng)光學(xué)芯片相比，由于硅基光量子芯片具有無源低損耗、多維易調(diào)控、便于大規(guī)模集成等優(yōu)勢，有望實現(xiàn)大規(guī)模量子信息的處理，因此有望促進量子計算、量子傳感等領(lǐng)域的發(fā)展，例如：硅基光電子器件可以用于實現(xiàn)量子通信系統(tǒng)中的光子的發(fā)射、傳輸和檢測;通過利用硅波導(dǎo)和光調(diào)制器等器件，可以實現(xiàn)量子態(tài)的控制和調(diào)制，從而實現(xiàn)量子通信中的量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)和量子糾纏分發(fā)等功能;通過在硅芯片上集成光子晶體波導(dǎo)和光調(diào)制器等器件，還可以實現(xiàn)光子的操控和量子比特之間的耦合，從而實現(xiàn)量子門操作和量子算法的執(zhí)行。

　　圖4 硅基光量子集成芯片的功能模塊示意圖

　　賦能AI，硅光計算芯片成就算力未來

　　近年來，隨著大數(shù)據(jù)、云計算、圖像識別和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，對海量的數(shù)據(jù)進行實時快速處理產(chǎn)生了急切的需求。但隨著晶體管的尺寸已逐漸接近摩爾定律極限，基于傳統(tǒng)微電子芯片的計算機算力已經(jīng)接近瓶頸。而硅光子芯片由于光子本身具有傳輸速度高、低功耗和可并行等優(yōu)點，因此光子計算芯片是實現(xiàn)高性能計算的一個非常有潛力的方案。光計算是目前研究的熱點方向，它與人工智能、腦科學(xué)和大數(shù)據(jù)等行業(yè)相關(guān)聯(lián)，又與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體技術(shù)、光電集成技術(shù)緊密相關(guān)，但目前該領(lǐng)域的研究仍處于起步階段。推動光計算的發(fā)展需要半導(dǎo)體材料技術(shù)、微電子技術(shù)、光子技術(shù)、封裝技術(shù)和算法等多學(xué)科共同努力，加速軟件與硬件的融合，從而使光計算可以應(yīng)用于實際，解決目前所面臨的算力瓶頸。

　　圖5 面向量子計算與量子模擬的大規(guī)模硅基光量子芯片

　　總結(jié)與展望

　　硅基光電子集成器件作為一種重要的光電子技術(shù)，已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心、5G通信、生物醫(yī)學(xué)和激光雷達等領(lǐng)域中得到了初步應(yīng)用，但由于其在成本、功耗、良率等方面仍存在不足，并且光耦合、光功率、硅光波分復(fù)用器件集成等工藝方面也亟需提升，因此還需要針對硅基光電子集成器件開展進一步的研究。在未來，隨著硅基光電子技術(shù)的不斷革新，其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用也將會更加廣泛和深入，并對推動科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。

       參考文獻： 中國光學(xué)期刊網(wǎng) 

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