北大周治平：硅基光电子学引发变革产业化亟需多方努力

本刊记者|刁兴玲

北大周治平：硅基光电子学引发变革产业化亟需多方努力

本刊记者|刁兴玲

我国硅基光电子技术在器件设计方面并不落后，但在芯片系统集成能力方面仍然稍显不足。“在硬件方面，我国的加工技术还不完善，有能力的加工单位较少；封装技术也不如外国成熟；在系统协同方面，我国产学研多方还需进一步加强合作。”周治平教授指出。

未来计算机和消费类电子产品性能的提高将主要依赖于中央处理器芯片之间和芯片内光信号的互连，光互连技术作为解决不断增长的通信容量和密度的方案已经成为业界共识。

目前光互连技术主要有基于III-V族半导体材料体系和基于IV族硅等与CMOS工艺兼容的材料体系两种。III-V族材料体系虽然光学性能较好，但成本很高、加工困难、集成度不高。为了满足低成本、大容量、高密度的光互连方案要求，硅基光电集成技术应运而生。

硅基光电子学引发产业革命

中国电信集团科技委主任韦乐平曾表示：“目前光层的创新路径已经有很多探索，但硅基光电子技术或许是最根本性的创新主线。”

硅基光电集成技术尤其是在低成本、高集成度方面具有不可替代性。硅基光电集成的优势主要来源于成熟的硅基微电子CMOS技术，包括易于获得、成本低廉的硅基材料，大批量、高良率的大规模集成技术，以及可扩展、可持续发展的产业结构。

硅基光电子学一经提出，就受到了国际上的广泛重视。北京大学教授、光子学研究主编周治平早年就职于乔治亚理工学院，成为最早研究硅基光电子学的学者之一。当他回国后，于2006年获得了一项80万元的“973预研小项目”——新型硅基微纳光电子器件及集成技术基础研究。项目虽小，却标志着我国政府对硅基光电子学支持的开始。自此之后，在周治平教授及相关研究人员的不断宣传和推动下，硅基光电子集成研究越来越受到重视。

值得一提的是，2011年周治平教授团队获得了“863项目”——硅基集成100Gbit/s相干接收及传输模块技术的支持，2012年又获得了国家自然科学基金重大国际合作项目“低功耗微/纳光电子集成技术基础研究”的支持。

我国第一片硅基集成100Gbit/s相干发射与接收芯片诞生

在国际上，IBM于2012年在标准的90纳米CMOS工艺线上集成了含有波分复用技术的光电子和微电子系统，其数据吞吐率达100Gbit/s；2013年，Intel向全世界公布了速度达100Gbit/s的芯片运行状况，并决定芯片生产线投产运行。

近10年来，我国的硅基光电子集成研究也得到了极大的发展，北京大学、上海交通大学、浙江大学等院校，以及中国科学院半导体研究所等科研机构，均在该领域取得了一系列进展。

特别是2013年思科以2亿美元的价格收购了硅基光电子技术公司lightwire（拥有100Gbit/s的芯片），开始深入硅基光电子技术，这引起了我国华为、中兴、烽火通信等企业的重视。我国企业也开始在硅基光电子芯片方面进行投入，开展该领域的研发工作。

周治平教授透露，其领导的北京大学硅基光电子及微系统实验室目前已开发出我国第一片硅基集成100Gbit/s相干发射与接收芯片，填补了国内空白；除此之外，在降低硅基光电子器件的能耗方面也做了很多工作，目前在Mod-WDM系统的能耗降低方面已经找到了一条切实有效的路线。

技术产业化亟需产学研多方努力

周治平教授坦言，目前硅基光电子技术仍面临困难，其面临的挑战主要在能耗和片上光源方面。现在有部分硅光产品已经商用，其通信速率虽然大大超过了铜互连，但能耗也显著升高。未来随着通信速率的不断提高和硅光的广泛应用，实现低能耗会变得越发迫切。片上光源问题目前主要通过将成熟的III-V族激光器flip-chip贴片到硅基光电芯片上来解决。未来若能在硅基光电芯片上实现光源的直接集成，在成本、集成度、可靠性和生产率方面还会有所提升。

另外，由于硅材料自身物理性能的限制，硅基激光器的实现一直被誉为世界性难题。周治平教授表示，IV族半导体硅、锗材料是间接带隙，实现激光发射比较困难，但部分硅基光电子集成芯片所需的片上光源不一定是硅基激光器，也可通过在硅基材料上生长其他材料加以实现。这种方案能够利用发光特性较好的材料，因而目前看来较有前景。在另一方面，通过对硅锗材料的能级改造来实现激光仍然是值得探求的路径。

我国硅基光电子技术在器件设计方面并不落后，但在芯片系统集成能力方面仍然比较落后。“在硬件方面，我国的加工技术还不完善，有能力的加工单位较少；封装技术也不如外国成熟；在系统协同方面，我国产学研多方还需进一步加强合作。”周治平教授指出。

硅基光电子集成技术已经可以产业化，并且国外已经在进行。周治平教授认为，我国要想尽快地享受到这一技术所带来的好处，还需要满足以下3个重要条件：首先，政府和投资界的高度重视和投入以确保我国不再输在起跑线上；其次，亟需光电子和微电子行业的协同合作推出低成本、高可靠的通用性产品；最后，应用行业的开放态度以利于抓住这一革命性的机会。

充分利用高校、研究所的学术研究能力以及产业界雄厚的资金和技术实力，各界齐心协力才能更好地推动硅基光电子技术在我国的迅速发展。

何为硅基光电子？

硅基光电子技术是以光子和电子为信息载体的硅基大规模集成技术。其核心内容就是将光子器件"小型化"、“硅片化”，并与纳米电子器件相集成。即利用硅或与硅兼容的其他材料，应用硅工艺，在同一硅衬底上同时制作若干微纳量级，以光子和/或电子为载体的信息功能器件，形成一个完整的具有综合功能的新型大规模集成芯片。