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下一代硅光子技术的路线图 | 综述荐读
光子盒研究院
现在，硅光子学已经发展成为一种主流技术，由光通信方面的进展所推动。当前，集成光子器件的数量正从几千到几百万激增——主要是以数据中心通信收发器的形式。许多激动人心的应用产品（如传感和计算），即将面世。怎样才能使硅光子学的普及率从数百万提高到数十亿的出货量？下一代的硅光子学将是什么样子？硅光子应用所面临的集成和制造瓶颈的共同点是什么，哪些新兴技术可以解决这些问题？
近期，由美国、加拿大科学家联合撰文发表在arXiv的预印本文章试图回答了这些问题。原文描绘了硅光子技术的世代趋势、确定了必须解决的关键挑战，以便在CMOS晶圆厂兼容的器件、电路、集成和封装方面取得巨大进展。作者表示，“通过识别和总结这些挑战和机遇，我们旨在激发对硅光子学生态系统的器件、电路和系统的进一步研究。”
硅基光子集成电路（PIC）于1985年问世，厚绝缘体上的硅（SOI）工艺中的低损耗波导于1991-92年展示。接下来，各种光学器件被展示出来，很快，硅光子学就进入了小规模集成（SSI）时代：在一个PIC上有1到10个元件；它们包括高速pn结调制器和光电探测器（PD）的演示，以及III-V激光器与硅PIC的异质集成。
这之后，下一个时代迎来了硅光子学的商业成功。在PIC上有10到500个元件，在这个中等规模集成（MSI）的时代，我们看到了马赫-曾德尔调制器（MZM）在数据中心的成功演示和采用。除了通信，硅光子学还发现了新的应用：如蒸发场生物传感器。
硅光子学现在正进入大规模集成（LSI）的下一个时代：在同一芯片上实现500-10000个元件。LSI的应用包括激光雷达、图像投影、光子开关、光子计算、可编程电路和复用生物传感器[。甚至，VLSI（>10000个元件）的原型现在已经被展示出来。通信领域一直是硅光子技术的基本市场驱动力，现在，硅光子技术已经从SSI时代的挑战者技术转变为MSI时代数据中心内和数据中心间连接的主导技术，并且有望成为LSI时代的主流技术。为了使共封装光学技术（CPO）获得成功，高性能计算得到扩展、分解计算成为现实，硅光子学将起到关键作用。
目录
一、硅光子技术汇总二、硅光子系统透视三、硅光子应用一览四、总结与展望
经过几代CMOS工艺的发展，现在有许多材料被添加到硅中，以降低功率、提高性能和缩小面积——这通常被称为PPA指标。添加的材料包括用于金属导线的Al和Cu、用于诱导应变和实现异质结BJT的Ge，以及用于钝化的氮化硅（SiN）。CMOS的研发预算和商业市场要比硅光子技术大很多，因此，硅光子技术代工厂经常学习和采用CMOS工艺的创新——硅光子学工艺的发展也呈现出类似趋势。除了用于高速调制的p/n掺杂物外，现在有两种材料得到了代工厂们的支持：（1）Ge高速光电探测器，以及（2）SiN，它可以扩大波长范围、实现更高的光功率，并支持干涉测量设备中具有更低损耗和更好相位控制的波导。
同时，缩小面积将是未来十年LSI和VLSI时代硅光子学工艺发展的重点。在现实中，最大的密度限制很少来自于器件尺寸；消除串扰的波导之间的间距比实际波导的尺寸大得多。对于射频（RF）设备，有源元件之间的间距往往是数百微米，这可以消除射频串扰。缩小这些设备需要非常详细的系统级模拟和积极的多物理学建模，这将是使芯片更小、更便宜、更高密度的核心。
1）E/O调制器
在缩小光子芯片从而提高密度方面，下一个十年的核心追求是在硅光子学中找到难以捉摸的理想调制器：长度（L）、需要小的驱动电压来产生π相移（Vπ）、提供低传播损耗（α）和IL。另外，这种调制器最好是移相器(phase shifter)，因为这样可以实现高阶相干调制模式(higher-order coherent modulation format)。
目前，商业市场上由行波MZM调制器的这类器件主导。由于大多数商业硅光子学代工厂已经支持Ge PD，各种团队已经尝试使用GeSi——一种相关但不相同的技术，来实现更好的调制器。对于O波段的操作，利用量子限制斯塔克效应（QCSE）的调制器仍然受到大IL的影响。虽然在这一领域已经有多种学术和商业努力，但目前还不清楚这些调制器是否会进入未来几代的商业设备。
InP与CMOS的异质集成已经引起了电子学和光子学的兴趣。对于光子学来说，它已经为IMDD收发器的大批量制造（HVM）中的激光集成铺平了道路，并且正在被用于SOA集成。鉴于这些集成工作，InP/Si调制器仍然有很大的前景。
改善所有的PPA指标和HVM的适用性对于商业代工厂和LSI应用都至关重要。然而，由于众多的光子应用对超高E/O BW调制器的需求将始终存在，一些原厂和研发代工厂将继续解决相关的制造挑战。最后，尽管>100 GHz E/O BW调制器对电信和数据中心的应用都很有吸引力，但它们需要能够以这种速度驱动它们的电子器件；除非Vπ（或Vpp）显著降低，否则无论CMOS/BiCMOS/III-V如何实现，这种电子器件都会消耗大量的功率。
2）激光集成
硅的间接带隙(indirect bandgap)禁止有效的光学增益，而这对于PIC上的激光来说是必要的，因此，这就要求采用替代材料或方法在PIC上引入光源。
传统技术是用激光和隔离器将PIC光纤连接起来，更具扩展性的方法是将III-V族增益材料与PIC集成在一起、而不使用光纤。但如果激光器不能容忍“反射(reflection)”，就仍然需要一个隔离器。一个基因化的、低成本的、可扩展的、片上的、低损耗的、低功耗的、对近端（相干）和远端（非相干）调制的多波长反射具有强大功能的解决方案仍然是一个研究问题。
激光集成的一个务实的解决方案是混合集成，即把来自不同材料技术的多个芯片共同封装在一起。例如，（亚）毫米DFB激光器，为数据通信应用以低成本和高产量制造，经过预先测试可以与硅光子芯片甚至与晶圆共同包装。
另一个在商业上成功的HVM技术（>百万/年）是异质集成，其中，多种材料或外延堆栈在晶圆规模上一起被纳入一个硅芯片。现在已经采取了各种策略：包括将III-V族芯片粘合到硅上，然后对硅晶圆进行后处理以制造量子阱（QW）激光器。放置冗余的激光器有助于提高故障时间（FIT）率；异质方法的好处包括亚dB耦合损耗——一种利用硅的低损耗外部腔体的机制。
另一种更长远的方法，对于量子点（QD）激光器来说是可取的，即在硅片上直接生长外延增益材料。由于其较低的线宽增强因子αH，QD激光器可以实现较低的线宽和减少对反射的敏感性。它们还具有较低的阈值电流密度。使用异质外延生长的单片集成技术最近已经取得了一些进展。
多个硅光子代工厂正在开发混合或异质激光器解决方案。出于可扩展性的考虑，代工厂可能会倾向于采用一种可以支持多波长的技术，这对于一些LSI应用来说是至关重要的。
3）雪崩光电探测器
大多数硅光子应用都受到激光器有限的输出功率和WPE以及电路中高IL的限制。一个替代方案是提高检测阶段的信噪比。尽管在硅APD中相对更容易实现，但对于低压硅/锗APD来说，同时优化增益-宽频-噪声仍然是一个挑战。与Ge PD相比，APD通常具有较差的BW、线性度和功率处理，这限制了它们在各种应用中的使用。
APD还需要最佳的偏压、稳定温度和电压的漂移，但这比已经证明的电路挑战要小。
1）光子学与电子学的相互作用
硅PIC几乎总是与电子IC（EIC）一起存在。当我们审视基于光子芯片的系统时，今天的情况几乎100%是由数据通信主导的，而且，预计这种情况在不久的将来还会继续。
在这种情况下，EIC有几个目的：
- 实现端到端数据的E/O和O/E转换；- 偏压、控制、补偿温度和制造的变化。
因此，光子学通过提供数据链接为电子学服务，而电子学通过提供控制和读出以及数字信号处理（DSP）为光子学服务。光子学和电子学之间的一个主要区别是，光子不会相互作用，因此是传输信息的最佳选择；而电子会相互作用并相互排斥，因此是很好的开关和计算元件。因此，每个硅光子开关(switch)都需要一个相应的电子开关。总的来说，必须伴随LSI PIC的EIC中的晶体管数量要比PIC中的元件数量大几个数量级。
这里有一个自然的相互作用，因为晶体管在开关、提供增益(gain, 包括线性和限制性)和提供高价格方面消耗的功率要小得多，同时比光子元件小几个数量级；另一方面，光子元件在较长距离上移动数据时，可以实现较低的频率依赖性损耗、可以通过无中继的数据移动提供较低的延迟、便于在光波导上实现非常高速的数据并行（通过WDM）。当数据已经进入光域时，光子信号切换或处理会变得很有吸引力。前者是一项广泛部署的技术，而后者还没有实现从研究到产品的飞跃，无法取代DSP功能。因此，认识到PIC和EIC技术各自的优点是好事。
硅光子学提供了缩小大型光学系统的机会，并将新的应用（如传感和成像）带到现实中，这是电子学本身无法实现的。最后，硅光子学在数百太赫兹的载波上运行，而硅电子学则限于亚太赫兹。这种不同的属性开启了有吸引力的联合设计机会：如设计具有超低相位噪声的电子钟。
2）光子学与电子学的生态系统
摩尔定律表明，随着每一代CMOS技术减少晶体管的关键尺寸，每个部件的成本都在下降。随着时间的推移，半导体行业的经济规模呈指数级增长，这使得该行业能够支付越来越昂贵的代工厂和工艺开发，从而实现了这种扩展。代工厂使许多用户能够获得这些先进的工艺，而不需要每个人自己花钱去开发工艺。
随着工艺的成熟，产量上升，成本下降。代工厂和第三方知识产权（IP）供应商提供PDK工具包和设计IP库，使客户能够建立令人难以置信的复杂电子电路，并在第一时间获得正确的结果。通过依靠成熟的器件和成熟的电路级IP，设计者可以专注于系统级芯片（SoC）的集成。
一旦芯片被制造出来，就会有一个丰富的生态系统，包括测试机构、封装服务提供商等等。
光电子行业有几个相似之处，但也有许多明显的差异。就像电子行业一样，增加光子元件的数量并不总是为了降低成本，而往往是为了提供新的功能、提高性能，或减少每个元件的面积。尽管成熟的PDK和抽象语言仍处于非常早期的阶段，但许多代工厂现在都可以运行MPW。到目前为止，第三方IP支持大多不存在。公司将最先进的PIC工艺隔离起来，以保护他们的投资和IP（让人想起CMOS产业早期的几十年，作为虚拟的集成器件制造商在工艺和PDK层面保持差异化）。同时，学术研究主要集中在改进器件上。
光子代工厂面临着一个重要的困境：他们的客户经常要求他们定制他们的工艺，这涉及大量的研发费用，并危及最终晶圆的可靠性和产量。促使客户采用标准工艺是解决这个问题的办法，但为了做到这一点，客户需要看到稳定性和稳定的PDK和IP生态系统的重要价值。
自从第一个商业上成功的硅光子产品以来，将PIC与EIC集成的选择一直存在。从商业化和上市时间的角度来看，单晶硅EPIC通常似乎是优越的技术选择。然而，当芯片面积由光子学主导时，光子元件比其电子元件大几个数量级——整个芯片的成本会大大增加。
总的来说，应用、性能规格和出货量（影响成本）将决定更昂贵的单片EPIC与更简单的封装、多芯片2.5D集成与更复杂的封装，或3D集成与更复杂的加工/封装是正确的选择。
提高激光器的WPE对大多数应用来说是必不可少的，但对通信和计算应用来说尤其关键。高效的多波长光源也需要在每个波长上有足够大的功率。O/L/C波段的低噪声、大增益带宽的APD可以提供信噪比的改善而不会造成明显的功耗损失。最后，使用高增益、低噪声的TIA放大PD信号仍然是一个关键的挑战。
为了使相干收发器在数据中心内具有竞争力，必须解决一些额外的挑战。与IMDD相比，对TIA和驱动器的线性要求会更加严格，而且需要尽可能减少对耗电的DSP的依赖。研究人员正在探索的一个策略是将一些信号处理任务转移到光域，并利用集成光子学和模拟电子电路：后者需要大量的电子-光子协同设计工作，为CMOS设计者利用混合信号和射频IC的专业知识提供了若干机会。
实用的量子通信和计算应用需要LSI-VLSI光子元件与先进的CMOS控制器。 对于芯片级的离散变量量子密钥分发（QKD），最主要的要求是低温兼容的光子/电子读出和控制超导纳米线单光子探测器（SPD）阵列；开发低损耗、低功耗的低温调制器和低温兼容的波分复用器/解调器；以及在发射器处将单光子源（SPS）阵列集成到低噪声、低串扰的芯片级光子-电子解决方案。超导纳米线SPD在电信波长下工作，有利于使用现有光纤作为量子通道。除了大规模的并行化，减少接收器的损耗和提高SPD的性能将有助于提高传输速率。
对于量子计算的应用，挑战是相似的，但需要更大的量子比特控制/读出的可扩展性：包括光子学和低延迟控制电子学。当然，量子比特的质量是最重要的。控制/读取的可扩展性随着IL的下降而下降——每损失一个光子都会使量子系统的能力以指数的方式下降。因此，需要超低损耗的耦合器来连接到PIC。
光子计算涉及光子领域的模拟计算和信息处理。这需要处理多级信令、并提高权重控制的精度，以保持足够高的信噪比。获取高速内存以防止激活(activation)和非权重稳定的任务是另一个挑战。光子计算有高并行性，因此需要减少无源和有源器件（调制器、移相器）的IL，并改善多波长激光器的输出功率，以增加网络规模。
在汽车驾驶方面，硅光子激光雷达被定位为对利用机械或MEMS扫描的飞行时间（ToF）激光雷达的固态挑战者。激光雷达由两个子系统组成：测距和光束转向(beam steering)，这两个系统都可以使用硅光子技术。ToF和频率调制的CW（FMCW）是测距技术，FMCW具有以下优点：
- 相干检测低至几个光子的信号；- 对环境源的干扰具有稳健性；- 可以同时进行距离和速度测量。
相干探测的所有必要部件都可以集成在一个芯片上。对于光束转向，存在两种集成的可能性：
- 基于连续可调谐移相器和光栅的光学相位阵列（OPA）。散装光学解决方案（如旋转镜和振镜）具有廉价、成熟和简单的优势；用片上OPA取代这些解决方案将是一个重大挑战。
- 基于片上开关网络和光栅耦合器的焦平面阵列（FPA）。这些包括二维FPA、需要MEMS开关、带有波长转向的一维FPA。无论哪种解决方案，低功率（10s of nW）和改进的移相器都很重要。
除了上述介绍的应用，硅光子技术还有望实现激光辅助的微波振荡器、低成本和紧凑型陀螺仪、生物传感器、扫频光源OCT产品等。
迄今为止，我们在硅光子学方面取得了巨大的飞跃。
——从几十年前刚刚建造出第一个波导和第一个调制器，到现在已经从战略上利用CMOS工业的材料、集成和封装技术，甚至成为了收发器领域的主导技术。同时，硅光子学在很大程度上仍然是一种发展中的技术，各种可能性（本文只描述了其中的一部分）标志着未来的前景：一些明显的赢家将在未来十年出现，整合也将发生。然而，应用的多样性将确保该技术有足够的机会扩大规模并广泛传播。
我们（原文作者）相信，在未来的十年里，将看到以下里程碑式的成果可能实现：
- 混合、异质和单片集成将为LSI甚至VLSI的实现提供激光器、移相器、调制器和电子器件，并具有必要的密度、可配置性和可编程性。这些集成技术中的每一种都有其优点，并且在可预见的未来可能会共存。
- 硅光子学上的集成激光器和SOA将真正起飞。大多数代工厂将提供集成激光器，其WPE超过20%。多波长激光器和可调谐激光器都将得到支持。
- 硅光子学将最终超越可插拔收发器，成为成功的商业产品，在CPO和xPU应用中得到广泛采用。使用插入器和芯片架构的复杂系统将采用光子技术进行互连。相干光子学将进一步蓬勃发展：在通信（甚至在数据中心内）、传感（FMCW激光雷达、生物传感）和计算领域。
- 设计、建模、模拟、无晶圆制造、封装和测试生态系统将开始成熟，带来新的工程师队伍和更多的机会。更短的制造周期将进一步加快研发。
- 基于等离子体色散的调制器将继续为许多波分复用通信应用提供充分的服务；但与此同时，Pockels调制器和移相器将在SOI CMOS工艺中实现商业化。LNOI将被引入硅光子学工艺，用于需要非常高速调制和低Vπ的应用，尽管其尺寸较长。
- 同样，高效率的热光学加热器也不会在一夜之间被推出来。但是，对理想的低功耗移相器的探索将得出一个真正能够实现LSI/VLSI应用的解决方案。许多技术正在竞争，一个明显的赢家还没有出现。
- 商业代工厂将普遍支持多层SiN和Si，高性能无源元件（滤波器、延迟线）将为这些SiN层进行优化。
- 预计逆向设计的趋势将开始产生更紧凑、高性能和坚固的波导块，成为PDK的一个组成部分。同样的技术也将促进超材料和超表面的性能。
- 光纤到PIC耦合的IL、带宽和片上面积将不断改善，典型的IL将下降到<0.5dB。
现在，将光子电路设计流程与EDA环境相结合（或纳入）已经开始，随着电路变得更加复杂，光子和电子的代码设计将变得更加重要。光子电路的扩展和与电子学的融合也将导致光子电路的更大的可配置性和可编程性：将降低建立新系统的门槛，使之能够利用光的物理特性进行新的应用。
太空时代启动了CMOS产业，互联网时代启动了光子产业，而数据时代将为这两者提供动力。