隨著信息技術的飛速發展，人類對數據傳輸和處理的需求越來越高，基于硅材料的微電子技術受到了物理極限的約束、摩爾定律面臨失效的危機。在此情況下，硅基光電子集成器件憑借其小尺寸、高集成度、低功耗、與成熟的CMOS工藝相兼容等優勢，成為了推動“后摩爾時代"技術發展的方向之一。基于硅材料的光電效應和光學性質，硅基光電子芯片可以實現對光信號的調制、檢測、放大、傳輸及處理，目前主流的硅基光電子器件包括：發光器件、調制器件、探測器件等，并且硅基光電子集成器件還具有高帶寬、高速率、高集成度、低成本等優勢，因此在高速通信、高性能計算、數據中心等領域中都具有廣闊的應用前景。
新型硅基激光雷達，智能駕駛的守護者
隨著小米Su7、華為問界等新能源車的不斷發展，人們對自動駕駛、三維成像等技術的需求也不斷增加。激光雷達作為車載應用，主要通過發射激光束來識別和探測車輛周圍物體的方位和速度。傳統的激光雷達主要采用的具有復雜結構、易磨損、易被干擾等缺點的機械轉向探測方式，已經無法滿足駕駛人員的需求，因此，為了實現更高分辨率、更精確的測量，硅基激光器等光電子芯片吸引了學術界和產業界的廣泛關注。在激光雷達系統中，硅基光電子芯片的重要性主要體現在以下幾個方面
(1)硅基光電子芯片可以實現微型化的波導和分束器，用于將激光束分束成多個方向并進行定向發射，這些波導和分束器的微型化和集成化可以大大減小激光雷達系統的體積和重量，提高其在車輛、機器人和無人機等移動設備上的應用性;(2)通過在芯片上集成光探測器，可以實現激光束反射信號的接收，并將其轉換為電信號，從而大大簡化系統結構及減小成本、功耗，進而提高系統的穩定性和可靠性;(3)硅基光電子芯片的光調制器可以用于調制激光束的相位和強度，實現激光雷達系統中的信號調制和解調，這些光調制器的微型化和集成化可以提高系統的性能和靈活性，并支持多種工作模式和應用場景;(4)硅基光電子芯片還可以集成光濾波器，實現在選擇特定波長激光信號的同時濾除其他波長的干擾信號，從而實現更精確的目標識別和跟蹤。
圖1 基于硅基片上激光雷達的全視野成像示意圖
硅光新時代的互聯與通信
光通信是硅基光電子芯片的主戰場之一。硅基光子芯片的發展，高速數據傳輸的革命性進步，通過與微電子電路進行集成，還可以在減少芯片上的器件數目、提高互連密度的同時，實現超高速、超高帶寬、低延時的片上互連。針對片上光信號處理的重要需求，浙江大學戴道鋅教授團隊提出了一種可編程硅光信號處理器，能夠實現可調延時、微波光子波束形成、任意光信號濾波和任意波形產生等多種功能。基于硅基光子芯片在通信與互聯領域的藍海市場，近年來光迅、華為、賽勒光電等企業也不斷在硅光市場開展產業布局，硅光互連芯片的研究進展在近年來取得了顯著的突破：2021年，中國信科集團聯合國家信息光電子創新中心、鵬城實驗室等機構，完成了1.6 Tb/s硅基光收芯片的聯合研制和功能驗證，該芯片在單顆硅基光發射芯片和硅基光接收芯片上集成了8個通道的高速電光調制器和高速光電探測器，每個通道可實現200 Gb/s PAM4高速信號的光電和電光轉換，該成果標志著中國硅光芯片技術實現了Tb/s級的一次跨越;2023年，NVIDIA開發用于實現高通量、高能效的光學NVLink連接的硅基光電子技術。在未來，隨著硅基光電子技術在帶寬、速率、抗干擾及超大規模集成等方面優勢的進一步增強，其應用將推動通信、數據中心的進一步發展。
圖2 傳統光模塊與硅光模塊工作原理
硅光芯片與生物傳感
生物傳感器能夠將蛋白質、核酸等結構信息轉變成聲、光、電等信號，因此在藥物研發、生物診斷等領域具有廣闊的應用前景。基于硅光技術高靈敏度、高集成度和低損耗的特點，硅基光電子芯片成為了生物傳感領域中快速發展的研究方向之一。硅基光電子芯片可以集成成百上千個微型傳感器單元，形成傳感器陣列，用于同時檢測多種生物分子，這種傳感器陣列可以實現高通量、高效率的生物分子檢測，加快分析速度，降低成本，提高檢測靈敏度和準確性。通過在芯片上集成光學探測器和波導，可以實現對細胞形態、大小、數量、位置和運動等信息的實時監測和成像，從而實現對細胞生物學過程的深入理解。根據傳感原理的差異，可以將硅基生物傳感器分為基于折射率變化、熒光技術及拉曼散射的生物傳感。總的來說，硅基光電子集成器件在生物傳感方面的應用有助于實現生物分子的高靈敏度、高選擇性和實時檢測，推動生物傳感技術的發展和應用。
圖3 用于生物傳感的硅基光電子芯片
基于硅光集成芯片的光量子技術，
與傳統光學芯片相比，由于硅基光量子芯片具有無源低損耗、多維易調控、便于大規模集成等優勢，有望實現大規模量子信息的處理，因此有望促進量子計算、量子傳感等領域的發展，例如：硅基光電子器件可以用于實現量子通信系統中的光子的發射、傳輸和檢測;通過利用硅波導和光調制器等器件，可以實現量子態的控制和調制，從而實現量子通信中的量子密鑰分發、量子隱形傳態和量子糾纏分發等功能;通過在硅芯片上集成光子晶體波導和光調制器等器件，還可以實現光子的操控和量子比特之間的耦合，從而實現量子門操作和量子算法的執行。
圖4 硅基光量子集成芯片的功能模塊示意圖
賦能AI，硅光計算芯片成就算力未來
近年來，隨著大數據、云計算、圖像識別和人工智能等技術的發展，對海量的數據進行實時快速處理產生了急切的需求。但隨著晶體管的尺寸已逐漸接近摩爾定律極限，基于傳統微電子芯片的計算機算力已經接近瓶頸。而硅光子芯片由于光子本身具有傳輸速度高、低功耗和可并行等優點，因此光子計算芯片是實現高性能計算的一個非常有潛力的方案。光計算是目前研究的熱點方向，它與人工智能、腦科學和大數據等行業相關聯，又與傳統的半導體技術、光電集成技術緊密相關，但目前該領域的研究仍處于起步階段。推動光計算的發展需要半導體材料技術、微電子技術、光子技術、封裝技術和算法等多學科共同努力，加速軟件與硬件的融合，從而使光計算可以應用于實際，解決目前所面臨的算力瓶頸。
圖5 面向量子計算與量子模擬的大規模硅基光量子芯片
總結與展望
硅基光電子集成器件作為一種重要的光電子技術，已經在數據中心、5G通信、生物醫學和激光雷達等領域中得到了初步應用，但由于其在成本、功耗、良率等方面仍存在不足，并且光耦合、光功率、硅光波分復用器件集成等工藝方面也亟需提升，因此還需要針對硅基光電子集成器件開展進一步的研究。在未來，隨著硅基光電子技術的不斷革新，其在各個領域的應用也將會更加廣泛和深入，并對推動科技創新和產業發展產生積極的影響。
參考文獻： 中國光學期刊網
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