人工智能、機器學(xué)習(xí)和高性能計算工作負載正在將電氣輸入/輸出推向信號范圍、能效和帶寬密度的極限，將光學(xué)從可選方案轉(zhuǎn)變?yōu)楸匦杵?。互補金屬-氧化物-半導(dǎo)體集成硅光子學(xué)，通過將大批量制造與成熟的光子構(gòu)建模塊相結(jié)合，提供了切實可行的前行道路。

近日，沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)萬雅婷Yating Wan團隊聯(lián)合英特爾Haisheng Rong等在Nature Reviews Electrical Engineering上發(fā)表綜述文章，概述了硅光子器件（片上激光器和半導(dǎo)體光放大器、緊湊型調(diào)制器、高速光電探測器、低損耗路由和高效芯片-光纖耦合器）、多材料集成（混合組裝、異質(zhì)晶片鍵合、微轉(zhuǎn)印和單片外延）和電子協(xié)同設(shè)計（數(shù)字信號處理、串行器/解串器、堆疊式驅(qū)動器拓撲結(jié)構(gòu)、偏置控制和熱調(diào)諧）的研究進展，以及如何將總鏈路能量推向每比特亞皮焦范圍。

這些研究進展融合了正在從可插拔器件發(fā)展到線性驅(qū)動可插拔器件和共封裝光學(xué)器件的系統(tǒng)架構(gòu)，并討論帶寬密度、熱設(shè)計、產(chǎn)量和成本之間權(quán)衡。還確定了近期的技術(shù)瓶頸，特別是熱路徑和制造產(chǎn)量，并強調(diào)了開啟下一次芯片性能飛躍的前沿技術(shù)，包括用于密集波分復(fù)用的片上梳狀源和晶圓級3D電子和光子堆棧。

這些材料體系，將影響光學(xué)計算輸入/輸出、傳感和量子光子學(xué)，將設(shè)備級創(chuàng)新與計算和通信的系統(tǒng)級收益聯(lián)系起來。

硅光子學(xué)與互補金屬-氧化物-半導(dǎo)體技術(shù)集成。

圖1: 硅光子學(xué)與兼容金屬-氧化物-半導(dǎo)體電子集成。

圖2: 硅光子學(xué)中，多材料集成技術(shù)比較分析。

圖3: 利用密集波分復(fù)用，基于微環(huán)調(diào)制器的光發(fā)射架構(gòu)。

圖4: 硅光子集成方法和演化路徑。

關(guān)鍵點

1、相比于傳統(tǒng)銅互連，光學(xué)互連技術(shù)提供更高的帶寬密度和更低的每比特能量，同時互補金屬-氧化物-半導(dǎo)體兼容的硅光子學(xué)提供了一種可擴展的、具有成本效益的制造路徑。

2、核心構(gòu)建模塊現(xiàn)在已準備好集成數(shù)據(jù)中心鏈路：片上激光器和半導(dǎo)體光放大器、緊湊型調(diào)制器、高速光電探測器、低損耗波導(dǎo)路由和高效的芯片到光纖耦合器。

3、利用混合、異質(zhì)晶片鍵合、微轉(zhuǎn)移印刷和單片外延的多材料和3D集成擴展了功能、密度和波長覆蓋范圍，同時實現(xiàn)了晶圓級多層電子-光子堆棧。

4、先進的電子設(shè)備（包括數(shù)字信號處理、串行器/解串器、堆疊式驅(qū)動器拓撲結(jié)構(gòu)、偏置控制和熱調(diào)諧）緊密協(xié)同設(shè)計，使電壓和噪聲預(yù)算保持一致，從而將總鏈路能量推向每位亞皮焦。系統(tǒng)架構(gòu)正在從可插拔發(fā)展到線性驅(qū)動可插拔和共同封裝的光學(xué)器件，在電氣復(fù)雜性、熱設(shè)計與帶寬密度、產(chǎn)量和成本之間進行權(quán)衡。

5、下一步包括片上梳狀密集波分復(fù)用、晶圓級老化測試burn-in和晶圓級3D電子-光子集成電路堆棧，以實現(xiàn)petabit，PB級（一千萬億字節(jié)每秒）互連，而互補金屬-氧化物-半導(dǎo)體集成光子學(xué)則擴展到人工智能/計算、傳感和量子技術(shù)。

系統(tǒng)評估了多種材料在硅光子集成中的表現(xiàn)：

• III–V族材料（如InP、GaAs）：通過異質(zhì)鍵合與硅基結(jié)合，用于實現(xiàn)高性能激光器和半導(dǎo)體光放大器。

• 硅與氮化硅（Si?N?）：作為低損耗波導(dǎo)和微環(huán)諧振腔的核心材料，支持高密度光子路由。

• 鍺（Ge）：作為高速光電探測器材料，與硅工藝兼容。

• 鈮酸鋰（LiNbO?）、氧化鋇鈦（BaTiO?）等電光材料：用于實現(xiàn)高速調(diào)制器。

• 量子點材料：用于實現(xiàn)高穩(wěn)定性、低閾值激光器。

實驗過程主要包括：

1. 異質(zhì)集成：通過晶圓鍵合將III–V材料與硅基集成；

2. 微轉(zhuǎn)移印刷：將預(yù)制的III–V器件精準轉(zhuǎn)移至硅光子晶圓；

3. 單片外延：在硅上直接生長III–V材料，克服晶格失配；

4. 3D堆疊集成：將電子與光子器件垂直堆疊，提升集成密度。