让硅发光强度提高超十倍！中国留学生实现全硅基芯片间高速光通信

当晶体管小到无法再缩小、单位面积电子芯片的性能难再提升，当摩尔定律失效将成事实，人们不再执着于单纯提升电子芯片的时钟速度和传输带宽，转而尝试将光与电的优势结合起来，以期收获 1+1>2 的效果。

作为一种使用最为广泛的半导体材料，硅在微电子、传感和光伏领域几近全能，从手机、电脑里最基础的 CPU、GPU、内存闪存，到绝大多数消费电子产品的摄像感光元件，再到新能源领域举足轻重的光伏电池等都被它所垄断。但硅唯独欠缺独立发光能力，这致使光电半导体器件只能用其他材料替代。如几乎所有的 LED 固态照明装备、LCD 显示屏的背光、及代表未来平面显示技术的 micro-LED 阵列，均是基于 III-V 族半导体的氮化镓。

（来源：Pixabay）

III-V 族材料发光性能一流，但由于材料与制造工艺的巨大差异，将 III-V 族材料制成的 LED 或者微型半导体激光器和硅基芯片结合到一起需要非常多额外的工序、封装以及互联方案，这大大增加了芯片或者模块的制造成本，降低了集成度和可靠性，且增加了数据延迟。

近期，在提高硅的电致发光亮度与速度以及在商用微电子芯片内部直接实现全硅基光电融合上，麻省理工学院 RLE 实验室 (the Research Laboratory of Electronics) 博士生薛今联合半导体厂商格罗方德的合作研究人员取得突破性进展，为微电子芯片光互连、短距高速光通信以及高度集成的光学传感与探测提供了全新的可能性。

他们设计了一种微米级大小正向偏置全硅基 LED，在完全集成于 55 纳米制程商用 CMOS 微电子芯片（无任何实验室处理）的基础上实现了低电压、高速高亮的近红外发光，其发光强度和调制解调速度可同时达到此前类似器件实验室记录的十倍以上。

图｜硅基 micro-LED 集成在 55BCDL CMOS 上

此外，他们还尝试了将该 micro-LED 和另外单独开发的单光子雪崩二极管以及其他微电子器件全部集成于单块硅芯片，并首次概念性演示了基于光纤传输的全硅基芯片到芯片的高速光通信。该项研究在 2020 年 12 月的 IEDM（International Electron Devices Meeting，即 IEEE 国际电子器件大会）会议上进行了介绍，并在 IEEE Transactions on Electron Devices 上进一步发表。

在薛今看来，硅作为一种最重要的半导体在发光能力上的缺陷 “就像一张接近完美的拼图少了一块，而且是非常重要的一块。” 为使这张拼图完整呈现，薛今大概从 2 年前正式踏上 “缺失拼图的搜寻之路”，他相信这块拼图的去向是有迹可循的。因为，“硅具有优异的感光性质，单纯从热力学可逆性的角度上来说，获得类似的发光性能并非绝无可能。”

通常条件下硅几乎无法发光，那就创造特殊条件让它发光

在出发 “搜图” 之前，薛今像众多研究者一样对 “硅发光能力出逃” 的可能路线做了充分研究，探索它出逃的原因、分析它可能去的地点等。

其实，早在二十世纪八十年代末期，研究人员就已经预测到了硅基发光器件的巨大潜力，并提出了全硅基光电融合的设想。在那之后的二三十年里，全世界掀起了一股开发硅基 LED 甚至硅基激光器的热潮。为克服硅的间接带隙这一本源性质，研究人员提出了纳米晶体量子约束、锡锗合金改变能带结构、参杂稀土元素、制造特殊缺陷的能级跃迁直接改变晶体结构、利用雪崩效应发光等方案，但每种方案在带来一方面进步的同时都在另一方面存在难以克服的障碍。以至于迄今为止高效、高亮的硅基发光器件都未能实现。

薛今在他的研究过程中发现，业内此前的研究过于强调直接从硅的间接带隙性质进行突破，而忽略了其他的策略 —— 如绕开间接带隙性质这一障碍转而去控制其他限制电致发光的本质因素。

他告诉 DeepTech：“半导体发光现象的本质其实是内部各种载流子复合机制的竞争。这好比一条注入了电子的主水管分岔成好几条支路，其中只有一条支路通向发光，而其余的都是发热。既然间接带隙这一固有性质使得硅的发光道路特别崎岖难走，那就想办法掐断其他所有让他不发光的道路。譬如，减少载流子在不理想的材料表面复合并产生声子（发热）的可能性。”

所以，为了实现硅的高发光率，薛今利用新的器件设计方案把载流子引入、并约束在高质量介面内部，最大程度上抑制载流子复合成声子发热的可能性，为硅营造了一个电子直达其 “内心世界” 的 “专属通道”。

图｜直径 4 微米的 CMOS LED 的显微照片，左（断电状态下）右（通电状态下），用普通的 CMOS 相机拍摄所得

经过实验表明，在室温环境下薛今设计的硅基 LED 在 2.5 伏特以下，芯片外部发光强度可以稳定达到 40mW/c㎡以上。这一亮度已远超过一般手机屏幕或者家用显示器电视的最大亮度。这种更高的发光性能将有助于硅在微电子领域的光通信、光传感等方面发挥优势。

图｜各种硅 LED 的发射强度与工作正向电压的关系（4 微米直径 LED 的强度与偏置电压的关系）

并且，在未来微电子和光电器件趋小的发展走势下，薛今说，微型硅基 LED 将展现出更大的优势。

他在研究中发现，所有微型半导体发光器件的效率均正相关于核心载流子复合区域的体积与表面积的比值，且同时正相关于该区域的介面表面性质。简单来说，就是无论哪一种半导体所制成的发光器件，体积越小则效率必然越低，另外材料的介面性质不佳也会使效率成倍变差。

最近的研究表明，III-V 族半导体在缩小到一微米及以下时，几乎变得和硅一样难以在常温下电致发光。薛今说，“III-V 族半导体的介面性质很难处理好，只不过现有的发光器件体积都很大，基本都是毫米级别，问题尚未显现。但若未来顺应高度集成化的需求将器件进一步微型化，这一缺陷就会越发凸显。然而，对于硅来说，器件越小相当于其他半导体的优势就越大。因为，一些特殊制备的氧化硅、氮化硅介面的表面性质远远好于其他半导体，若对这一性质利用得当的话（约束载流子复合）硅基微型发光器件将扳回一城。”

将为光电集成应用带来全新解决思路

受限于硅几近于无的发光能力，目前使用的 LED 以及半导体激光器多基于 III-V 族元素，这在许多依赖于硅的高度集成解决方案里（譬如硅基光子集成回路、主动光电传感器等）属于无可奈何的 “妥协”。

而把可单独自调制的硅基微型发光器件阵列直接集成到传统的数字 / 模拟 / 感光芯片上，不再需要额外 “粘贴” 任何 III-V 族半导体或者参杂稀土元素，不同材料带来的问题也就不再存在，这将为未来的光电集成应用带来全新的解决思路。

其中一个重要应用是光互连。目前微电子芯片计算架构的速度瓶颈其实主要是芯片之间以及内部基于电子的信息传输速度，而非时钟频率。受限于能耗和发热等因素，现在使用金属互连的通信带宽（如 CPU 与内存之间、GPU 与显存之间）很难超过 1Tbps，学界和前沿业界认为光互连（optical interconnect）将会取而代之，并带来一场计算架构的全新革命。目前，基于这一理念设计的高速光通讯模块已经在谷歌等大型数据中心得到应用，Intel 等传统半导体厂商在这一技术上也有布局。

但目前的光互连、光计算解决方案仍采用独立的 III-V 族半导体激光器，作为光源进行外部调制。当作为最理想的集成光源 —— 自调制微型硅基发光器件加入，将有可能改变这一格局。

“设想一块类似于 CMOS 感光器件的大型硅基光源阵列，完全集成于模拟驱动模块和逻辑处理模块，并且无需外部调制，这将使得光互连的通信带宽或是光子计算的并行速度轻松提高成百数千倍，同时降低功耗并缩小芯片面积。这对将来的高性能计算架构有很大意义。另一方面，与商用 CMOS 微电子制程的高度集成将使其有机会走入千家万户，而非永远停留在科研上”，当然，薛今也表示，前景可观，但要达到这一程度的系统集成还有很多工作要做。

对此，薛今及其合作者也进行了尝试，他们将全新设计的 micro-LED 和另外开发的单光子雪崩二极管以及其他微电子器件全部集成于单块商用硅芯片，并首次概念性地演示了基于光纤传输的全硅基芯片到芯片的高速光通信。在初步验证中达到单个硅基 micro-LED 的调制解调速度达到了 250MHz，芯片间单信道光通信为 10MHz。薛今也强调，这一速度仍受限于实验室测试设备，而非器件本身的瓶颈。

图｜信息传输测试

此外值得注意的一点是，这一硅基芯片间高速光互连的首次演示同样是在目前业界成熟投产的微电子芯片制程（55 纳米）上完成，这表明，他们的设计方案达到的效果并非苛刻实验条件下产生的效果，是离实际应用更近的现实解决思路。

也就是说，硅的发光能力提高后，COMS LED 的集成将不再需要额外制作的高昂成本，到那时硅光技术将可以用在更多方面。

薛今举例说道，比如现在最新的 iPhone 里面只有价格最高的机型中采用了激光雷达技术（Lidar）。这就是因为目前激光雷达中光源阵列的发光元件是 III-V 族半导体砷化镓，而其他驱动芯片、感光阵列等都是硅，把不同材料封装在一起的成本正是激光雷达成本高昂的原因。这也使得目前该模块体积较大，而且受限于光源阵列的大小，精度也一般。

而当发光元件也是硅的时候，光源阵列、感光阵列、驱动和逻辑处理直接集成在一起，便可以省去昂贵的封装成本。更为重要的是，将可以在更小的模块体积下达到更高的分辨率和精度。到那时，不仅 iPhone 所有机型都可以用激光雷达，甚至所有的智能家电都可以使用这一技术。

在薛今的本次成果中，硅基发光的性能虽比以往有了长足进步，但尚不足以挑战业已成熟的 III-V 族半导体。不过，薛今及其合作者表示，他们已通过进一步实验表明，未来微型化的硅基半导体发光器件将有可能达到甚至超过现有 III-V 族半导体器件在类似条件下的性能。

从兴趣和不解出发，探究阻碍硅发光的秘密

说到对硅在发光方向上的研究，薛今说 “这是很自然的事情”。

图｜薛今（来源：受访者提供）

他出生于江苏常州，曾就读于江苏常州高级中学。高二时他获得了新加坡政府奖学金，并赴新完成了本科学业。

2012 年，薛今获得南洋理工大学电气与电子工程学士学位，并取得新加坡最高的国家科学奖学金，次年前往 MIT 电子工程与电脑科学系攻读硕士和博士。今年春天即将毕业。

从本科最开始接触光纤激光、到在 MIT 研究光电半导体器件，他的研究方向就是他的兴趣所在。

在 MIT 最初几年，他提出了氮化镓（GaN）半导体发光效率超过 100% 的可能性（即直接从空气中吸热发光），并尝试为光电半导体器件构建一个基于热力学和统计力学的理论框架，希望从不同视角带来全新的认知。由此便延伸到硅的发光上，就像前文提到的，“（根据热力学的可逆性）硅是一个很好的光的探测器，它既然可以很好地吸收光，为什么不能发出光？” 这一好奇开始，薛今从硅基光电结合领域的研究出发，一步一步探究阻碍硅发光背后的原因。

现在，薛今已经用他的方法解决了自己的疑问，也在全硅基集成发光上做好了规划。

接下来，他将进一步探索集成光学腔以实现微型硅基激光器的可能性，以及硅光子系统集成的验证，希望硅能够发出更亮的光、达到更高的效率，实现芯片之间甚至内部更高速的信息传输，应用在实际中如面部识别将更快速、更精准等。

AI带火CPO，硅光通信是实火虚火？

自ChatGPT开始的人工智能浪潮带火了很多领域。其中，光通信领域就出现了一匹名为“CPO”（共封装光学）的黑马：2023年年初，CPO概念出现，至年中，股价涨至5倍；热度下降半年后，随着Sora横空出世，CPO概念股再次上涨。

这项应用于光通信模块封装领域的技术，是否将引领光模块市场？

何为CPO？

CPO是英文Co-packaged optics的简写，意为共封装光学，该技术特点在于将硅光模块和CMOS芯片用先进封装（2.5D或3D封装）的形式集成在一起，以此实现光通信模块更低功耗、更小体积和更快的传输速率，主要用于数据中心领域。

该技术并不是近几年才出现，但随着AI对数据中心等通信基础设施的传输效率提出了更高的要求，使得适应网络连接带宽增加需求的CPO技术及其相关业务备受关注。

在CPO技术出现之前，传统的技术是把硅光模块和CMOS芯片独立为两个单独的模块，再在PCB板上连接到一起。在这种技术路线中，光模块被设置在交换机内部，靠铜线传输信号。其优点是设计模块化，硅光模块或者CMOS芯片其中任何一个出问题都可以单独更换。

当前，高速系统的线路速率逐渐提升，从50G一路来到200G，在AI需求的带动下，数据中心所需的线路速率进一步提升至400G乃至800G。在这样的情况下，传统技术方案中以铜传输信号的技术路线的劣势逐渐显现——铜I/O正在接近物理极限，将难以支持数据中心服务器的密度提升。同时这种传统技术集成度低、功耗高的问题也逐渐显现出来。

铜传输等传统技术面对AI需求的“力不从心”，为CPO这一封装技术带来了市场需求。其最主要的应用，就是光通信模块和光芯片的封装。在光纤通信中，光模块就像是一类桥接，用于电信号和光信号之间的互相转换，在发送端实现电-光转换，在接收端实现光-电转换。应用CPO技术后，光模块发挥的依然是这一作用，但由于减少了铜线作为中间环节的信号转化，传输速率大大提高，同时功耗更低、体积更小、大规模量产的成本也更低。

当前，布局CPO技术的企业主要为博通、美满科技等通信基础设施上游供应商。其中，博通于2023年3月宣布量产全球首款51.2Tbps交换机芯片。多数光模块国内厂商还处于CPO技术的探索期，少数厂商正在尝试在高速率光模块中采用CPO技术。

AI带动，实火虚火？

记者查阅了国内CPO概念相关上市公司的营收情况。从财务数据来看，当前，AI对国内光模块企业营收的带动作用并不像许多业界人士预期的那样明显。部分企业2023年度营收向好，例如苏州天孚光通信股份有限公司，2023年前三季度营收分别为2.87亿、3.77亿和5.42亿元，分别同比增长1.5%、27.97%和73.62%；中际旭创股份有限公司2023年第三季度实现营收30.26亿元，同比增长14.9%，净利润达到6.92亿元，同比增长89.45%。也有部分企业营收情况并不理想。

关于CPO、高速率光模块的未来走向，市场观点并不一致。

光迅科技数据与接入产品业务部市场总监林韬在接受《中国电子报》记者采访时表示，800G、1.6T高速光模块产品目前还是蓝海市场。数据中心、算力中心对光模块的诉求主要是更高速率，更低功耗。“目前，1.6T光模块是稀缺的，只有头部厂家可以提供样品，它可以有效提高传输带宽。从过去行业发展经验看，一款产品，如果整个市场上可提供该速率的企业变多了，比如现在的100G光模块，那么这个市场就成红海市场了。所以我们的目标，就是以最快的速度推出满足客户需求的新产品，抢占高端产品蓝海市场。”

多家市场分析机构也给出积极信号：

LightCounting预测，全球光模块的市场规模在未来5年将以CAGR11%保持增长，2027年将突破200亿美元，预计中国光模块市场也将进一步增长，2028年中国光模块市场规模有望达35亿美元。

浙商证券预测，在2026年，HPC和AI集群将成为CPO光学的最大细分市场。CPO出货量以800G和1.6T端口计算，可以组合成3.2T或6.4T光学芯片，采用硅光子实现 I/O 的第一步，可以轻松突破现有带宽的瓶颈，基于分解计算和存储的下一代架构再增加10倍带宽，并且在核心交换设备接口方面已经有规模化的应用。

2026年CPO出货应用领域

另一方面，记者在采访中也听到了一些唱衰的声音。国内某知名券商分析师告诉《中国电子报》记者，AI对光模块等通信基础设施的带动作用有限，他认为国内外对AI相关基础设施的需求量严重高估。“股价可能波动，业绩我个人不认为会有起色。三五年内AI不会为计算基础设施企业带来很多增长。”该分析师说道。

高速率光模块最有希望

数据中心使用的光模块，存在平均约为3~4年的迭代周期。新易盛业务拓展总监张金双在接受《中国电子报》记者采访时表示：“当前国外云计算数据中心使用的光模块正处于从400G到800G过渡的阶段，国内的换代速度慢一些，主要还在使用400G这一代光模块。”

市场对光模块传输速率的需求与数据中心中搭载的CPU/GPU等算力产品所需的带宽有关。“如果是计算性能很高、带宽需求比较大的GPU，那么要配合其发挥作用，就需要使用更高速率的光模块。”张金双表示。也正是因此，当前全球对高速光模块需求走在最前列的就是海外云服务商，尤其是AI应用已经开始了800G光模块的部署。

林韬表示，在国内，光模块的传输速率过去多年都是由运营商电信网络需求驱动。在2020年以后，更多的是由互联网资讯商——尤其是数据中心的需求驱动。“数据中心网络的迭代速度远远快于之前的运营商网络建设速度，如果现有技术无法满足需求，那么将带动CPO等新兴技术加快产品应用步伐。”

影响光模块数据传输速率的因素有这样几个：其一是是数据通道的封装数量，其二是单通道速率，其三是编码方式。

除了光模块传输速率，功耗是云数据中心用户，尤其是AI应用的另一个重要的关注指标。降低功耗，也就成为光模块企业需要重点思考的问题。“更高速率、更低功耗一直是产业努力的方向。“张金双表示，”通过光模块内部芯片和器件工艺升级、集成度提高，光模块的速率持续提升、单位比特的功耗持续下降。”

因此，不论是提高光模块传输速率，还是降低其传输功耗，封装技术升级都占了非常重要的部分。在这样的情况下，CPO成为产业技术方向的新宠。

记者了解到，光迅科技在2023年3月发布了CPO ELS自研光源模块产品，其目的是满足未来更高速率的光互联需求。多家企业也表示，正在筹备CPO技术。

浙商证券报告表示，从1.6T 开始，传统可插拔速率升级或达到极限，后续光互联升级可能转向CPO方案。LightCounting认为，CPO技术最大的应用场景在HPC和AI簇领域的CPU、GPU即TPU市场。到2026年，HPC和AI簇预计成为CPO光器件最大的市场。CPO出货量预计将从 800G和1.6T端口开始，于2024年至2025年开始商用，2026年至2027年开始规模上量，2027年占比达到30% 。

一项尚处于蓝海的新技术，关联上了AI这一热点，从而引发市场的关注和相关企业的股价上涨，是符合经济规律的现象。然而，市场的期许距离客户企业真正采用，在时间和实践上都会有一段距离。CPO接下来的市场表现，将要看布局者与市场需求，谁跑得更快。毕竟如果需求来了，风口不会等人。

作者丨姬晓婷

编辑丨张心怡

美编丨马利亚

监制丨连晓东

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