硅基光通讯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

发布时间 : 2024-10-09

作者 : 小编

访问数量 : 23

扫码分享至微信

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算力之硅光芯片行业专题报告：未来之光，趋势已现

（报告出品方/作者：天风证券，唐海清、康志毅、王奕红）

硅光技术及应用领域

硅光技术是什么

硅光技术是以硅和硅基衬底材料（如SiGe/Si、SOI等）作为光学介质，通过互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的集成电路工艺制造相应的光子器件和光电器件（包括硅基发光器件、调制器、探测器、光波导器件等），并利用这些器件对光子进行发射、传输、检测和处理，以实现其在光通信、光传感、光计算等领域中的实际应用。

硅光子技术发展历程

从1969年美国贝尔实验室提出集成光学开始，到21世纪，Intel等企业开始进入硅光领域协助突破发展，硅光子技术开始进入产业化技术突破阶段。2008年后，Luxtera、Intel等公司开始推出商用硅光集成产品，硅光芯片开始正式进入市场化阶段。

硅光技术的发展整体可分为四个阶段：第一阶段，通过硅基材料制造光通信的底层器件，逐步取代光分立器件；第二阶段，集成技术从混合集成逐渐向单片集成发展，将各类器件通过不同组合实现不同功能的单片集成，这也是目前硅光子技术的发展现状；未来第三阶段，预计将通过光电一体技术融合，实现光电全集成融合；第四阶段，器件分解为多个硅单元排列组合，矩阵化表征类，通过编程自定义全功能，实现可编程芯片。

硅光子集成度提升，应用领域也不断拓展

小规模硅光子集成时代，PIC上有1到10个组件，其中包括高速pn结调制器和光电探测器（PD），以及III-V激光器与硅PIC的异质集成；中等规模集成时代，Mach-Zehnder调制器（MZM）成功用在数据中心内的收发器中——PIC上有10到500个组件，包括单波长和多波长，基于微环调制器的收发器也体现了PIC技术的多路复用和能效优势。硅光子/电子平台中的相干收发器证明，该技术可以在性能上与 LiNbO3光子和III-V族电子媲美。除了通信，硅光子还有更多新的应用，如生物传感器。大规模集成时代，在同一芯片上实现500到10000个组件，应用包括激光雷达、图像投影、光子开关、光子计算、可编程电路和多路复用生物传感器；甚至超大规模集成电路（>10000个元件）的原型现在也已出现。

硅光应用市场不断扩大

数通应用占硅光应用90%以上：市场研究机构Yole数据显示，2022年硅光芯片市场价值为6800万美元，预计到2028年将超过6亿美元， 2022年-2028年的复合年均增长率为44%。推动这一增长的主要因素是用于高速数据中心互联和对更高吞吐量及更低延迟需求的机器学习的800G可插拔光模块，数通光模块的应用占硅光芯片市场的93%，复合增长44%。此外在电信领域、光学激光雷达、量子计算、光计算以及在医疗保健领域都有广阔的发展前景。

光模块中硅光及薄膜铌酸锂的份额将呈上升趋势

LightCounting预计，基于GaAs和InP的光模块的市场份额将逐步下降，而硅光子（SiP）和铌酸锂薄膜（TFLN）PIC的份额将有所上升。 LPO和CPO的采用也将促进SiP甚至TFLN器件的市场份额增长。 LightCounting预计硅光芯片的销售额将从2023年的8亿美元增至2029年的略高于30亿美元。采用TFLN调制器的PIC销售额将从现在的几乎为零增长到2029年的7.5亿美元。传统DWDM光模块中使用的块状LiNbo3调制器的销售额将继续下降，到2029年将变得微不足道。

CPO光电共封装

光电共封装（CPO）指的是交换 ASIC 芯片和硅光引擎（光学器件）在同一高速主板上协同封装，从而降低信号衰减、降低系统功耗、降低成本和实现高度集成。 CPO的发展才刚起步，并且其行业标准形成预计还要一定时间，但 CPO的成熟应用或许会带来光模块产业链生态的重大变化。硅光技术既可以用在传统可插拔光模块中，也可以用在CPO方案中。 800G传输速率下硅光封装渗透率会有提升，而CPO方案则更多的是技术探索。但是从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和相干方案。

硅光份额市场不断扩大，国内厂商积极布局

硅光模块与传统光模块区别

硅光即硅基光电子，是以硅和硅基为衬底材料（如SiGe/Si、SOI等），并利用CMOS工艺对光电子器件进行开发和集成的新技术。普通光模块是实现光电转换的装置，其在功能上需对光信号进行调制和接收。普通光模块在制造上需要经过封装电芯片、光芯片、透镜、对准组件、光纤端面等器件，最终实现调制器、接收器以及无源光学器件等的高度集成。各器件主要通过封装技术进行集成。硅光模块所使用的硅光子技术是利用CMOS工艺进行光器件的开发和集成，基于CMOS制造工艺进行硅光模块芯片集成便是其最大的特点，亦是它与普通光模块最大的区别。硅光模块芯片通过硅晶圆技术，在硅基底上利用蚀刻工艺加上外延生长等加工工艺制备调制器、接收器等关键器件，以实现调制器、接收器以及无源光学器件的高度集成。

硅光模块的优势

硅光模块可突破传统单通道光芯片的传输瓶颈，在未来高速传输时代具有较大优势。相较传统分立光模块，硅光模块还拥有成本低、功耗低、兼容CMOS工艺、集成度高的优势。

目前光集成商业产品技术路线主要分为III-V族和Si两大阵营，其中DFB、DML、EML等激光器是InP阵营，虽然技术相对成熟，但是成本高，与CMOS工艺(集成电路工艺)不兼容，其衬底材料每2.6年才翻一倍。而Si硅光器件，采用COMS工艺实现无源光电子器件和集成电路单片集成，可大规模集成，具有高密度的优势，其衬底材料每1年可翻一倍。

硅光全球产业链布局

与电芯片相似，硅光芯片的产业链上游为晶圆、设备材料、EDA软件等企业；中游可分为硅光设计、制造、模块集成三个环节，其中部分公司如Intel、ST等为IDM企业，可实现从硅光芯片设计、制造到模块集成的全流程；下游则主要包括通信设备市场、电信市场和数通市场（数据中心通信市场）。随着硅光市场规模逐渐扩大，传统光模块厂商也在通过自研/并购切入硅光设计领域。

硅光模块的市场份额及中国厂商积极布局

在数据通信市场，英特尔以61%的市场份额领跑，思科、博通和其他小公司紧随其后。在电信领域，思科（Acacia）占据了近50%的市场份额，Lumentum（Neophotonics）和Marvel（Inphi）紧随其后，相干可插拔ZR/ZR+模块推动了电信硅光市场的发展。在目前市场竞争中，中国厂商份额较少，但国内的中际旭创、新易盛、光迅科技、博创科技、铭普光磁、亨通光电等开始参与竞争，推出了400G、800G甚至1.6T的硅光模块，旭创1.6T硅光模块更是采用自研硅光芯片并已处于市场导入期。

硅光模块产业链分析

硅光模块内部结构（以Intel 100G产品为例）

Intel的100G CWDM4模块采用1271，1291，1311，1331nm波长，最长传输距离可达10km，采用QSFP28封装，有0-70℃和15-55℃两种温度规格。 Intel的CWDM4的TX和RX芯片是分开的，TX是由4个III-V/Si混合集成激光器、4个MZ光调制器及调制器驱动芯片、基于EDG技术的MUX、光纤耦合部分组成，RX由4个Ge/Si探测器、TIA、PLC基DeMUX、光纤耦合部分组成。 TX和RX的时钟和数据恢复采用MACOM的4通道25G CDR芯片。TX和RX光纤阵列多余的尾纤，通过盘纤进行整理固定。

硅光模块-硅光芯片

硅光技术在光开关、光波导、硅基探测器（Ge探测器）及光调制器（SiGe调制器）等已实现了突破。目前的硅光技术仍主要体现成两种基本形态，除采用大规模集成电路技术（CMOS）工艺集成单片硅光引擎方案外，市面上更常见的方案为混合集成方案，主要是光芯片仍使用传统的三五族材料，采用分立贴装或晶圆键合等不同方式将三五族的激光器与硅上集成的调制器、耦合光路等加工在一起。

硅光模块-硅光芯片中两种常见的调制方式

电光调制器完成从电信号到光信号的转换功能，是光互连、光计算和光通讯系统的关键器件之一。在硅基电光调制器中，应用最广的调制机制是等离子色散效应：外加电场作用改变硅波导中的载流子浓度，从而改变波导折射率和吸收系数。调制器常用光学结构有马赫-增德尔干涉仪（MZI）型和微环谐振腔（MRR）型。

硅光模块-CW光源

连续波激光器又称CW激光器，指拥有稳定工作状态，可发出连续激光的激光器。CW激光器具有相干性好、可靠性高、波长可调谐、使用寿命长等优势，在航空航天、医疗卫生、汽车制造、机械加工、电子产品等领域应用较多。硅光方案中，CW激光器芯片作为外置光源，硅基芯片承担速率调制功能。CW大功率激光器芯片，要求同时具备大功率、高耦合效率、宽工作温度的性能指标，对激光器芯片要求更高。目前绝大多数硅光模块的应用场景用外置光源封装的方法已经能够满足要求。目前大部分主流客户需要的是70mw的产品，对于大部分400G与800G硅光模块已经足够，100mW的CW光源产品除了可用于400G硅光模块外，也可用于800G及1.6T的硅光模块，400G DR4硅光模块仅需1颗100mW光源就能实现，简化光模块设计，显著降低光模块成本。

硅光模块-耦合及封装设备

硅光模块必须采用高精度的自动耦合封装设备保障封装精度、良率和效率：传统的光模块采用自由空间的设计方式，对于封装耦合的精度要求较低，通常采用人工或半自动耦合的方式，封装的成本较低。硅基光电子技术面临不少难点，其中包括光纤和波导的高效耦合、封装。硅光模块集成度高，封装难度大，其耦合对准与封装的精度要求高，较难实现高质量、低成本的封装。根据 Yole数据，目前阶段在硅光模块成本中，硅光芯片仅占约 10%，封装成本占比约为 80%。

重点公司分析

硅光模块-中际旭创

硅光模块从BOM 成本来看：1）CW 光源价格要比EML有一些优势，其次是 CW 光源可以一拖二或者一拖四光路，数量会比EML颗数节省。 2）硅光芯片的集成度会比原先分离式的光器件在成本上面也会有些优势。公司已有400G和800G部分型号的硅光模块开始给客户批量出货，同时还给更多的客户送测了800G和1.6T硅光模块，预计25年硅光800G 和400G上量的比例还会进一步的提升。目前硅光出货结构里占比还不高，仍以传统方案为主，若未来硅光模块的出货占比提升，预计对公司毛利的提升会有帮助。

硅光模块-新易盛

公司境外子公司Alpine为公司在硅光模块、相干光模块以及硅光子芯片技术方向提供技术支持和供应链的可靠保证，目前硅光芯片的研发和生产各项工作均在顺利推进中。目前已成功推出基于VCSEL/EML、硅光及薄膜铌酸锂方案的400G、800G、1.6T系列高速光模块产品，和400G和800G ZR/ZR+相干光模块产品、以及基于LPO方案的400G/800G光模块产品。

硅光光引擎及器件-天孚通信

天孚通信在2005年成立，是业界领先的光器件整体解决⽅案提供商和先进光学封装制造服务商，产品广泛应用于光纤通信、光学传感、激光雷达、生物光子学等领域。公司通过自主研发和产业并购，在精密陶瓷、工程塑料、复合金属、光学玻璃等基础材料领域积累沉淀了多项业界领先的工艺技术，如日本Tsuois mold的超精密光学模具和透镜设计技术（Lens）、北极光电高精度镀膜（Thin Film Coating）技术和微光学元件（Filter Block）技术、AIDI的平面阵列波导（AWG）技术等，为客户提供多种垂直整合一站式产品解决⽅案，天孚已从精密元器件供应商发展成为拥有多种封装技术和垂直整合能力的平台型公司。公司目前具备的技术平台包括传统分立式器件技术平台和硅光技术平台，以配合下游不同技术方向客户的需求。