硅基光电子集成技术前沿报告（2020年）

硅基光电子集成技术 前沿报告 （2020年） 中国通信学会 2020年12月 版权声明 本前沿报告/白皮书版权属于中国通信学会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本报告文字或者观点的，应注明“来源：中国通信学会”。违反上述声明者，本学会将追究其相关法律责任。 专家组和撰写组名单 专家组： 组长： 余少华 中国信息通信科技集团有限公司 副总经理 中国通信学会副理事长 光通信委员会主任委员 中国工程院 院士 副组长： 肖 希 国家信息光电子创新中心 总经理 中国通信学会 光通信委员会副主任委员 成员： 姓名 单位 职务 郑彦升 国家信息光电子创新中心 副总经理 傅焰峰 国家信息光电子创新中心 总监 王 磊 国家信息光电子创新中心 经理 江 毅 武汉光迅科技股份有限公司 经理 撰写组： 单位 姓名 国家信息光电子创新中心 王磊 国家信息光电子创新中心 林涛 前 言 通信用光电子正从分离器件向集成化方向加速发展。传统通信用光器件主要基于 III-V 族半导体材料研制，近年来在尺寸、成本、功耗以及“与电芯片一体化”等方面面临挑战。硅基光电子集成技术（简称“硅光技术”）是光子集成的重要方向。其基于硅材料，并借鉴大规模集成电路工艺中已成熟的 CMOS 工艺进行光器件制造，具有低成本、低功耗、微小尺寸和“与集成电路工艺一体化”的优势，一经提出便得到产业界广泛关注，被认为是“光层的创新主线”。不过硅材料属间接带隙半导体材料，需要借助混合集成技术解决片上光源和光放大等难题。 鉴于国家部委领导、业内技术专家等都非常关心硅光技术未来发展，中国通信学会光通信委员会联合国家信息光电子创新中心等单位专门组织专家进行研讨，并凝练形成“2020 前沿技术报告”一份。该报告系统地介绍了硅光技术诞生背景、技术定义与特点、国内外发展现状等几方面情况，在此基础上针对微电子与光电子融合技术难题和挑战，提出了硅光子芯片技术发展趋势预测和相关政策建议。 中国通信学会光通信委员会 副主任委员： 2020 年 12 月 目 录 一、 微电子技术、光电子技术与硅光技术 ......................................................... 1 二、 硅光技术定义与特点 ..................................................................................... 3 （一）超高兼容性 .............................................................................................. 3 （二）超高集成度 .............................................................................................. 4 （三）强大的集成能力 ...................................................................................... 5 （四）超大规模制造能力 .................................................................................. 6 三、 国内外硅光技术和产业发展现状 ................................................................. 7 四、 硅光技术中微电子与光电子融合的难题和挑战 ....................................... 10 (一) 急需构建适用于大规模光电集成芯片的元器件库 ............................. 10 (二) 急需加强光电子融合芯片的工艺能力和基础积累 ............................. 11 (三) 急需强化光电子融合芯片的架构设计能力 ......................................... 11 (四) 急需增强光电子融合芯片的封装及调控技术 ..................................... 11 五、 硅光技术发展前景展望以及相关政策建议 ............................................... 12 1 一、 微电子技术、光电子技术与硅光技术 自从 1958 年第一颗集成电路，特别是 Intel CPU 发明以来，微电子技术便一直遵循着摩尔定律发展，已经成为信息社会发展的主要驱动力之一。在过去的半个世纪里，微电子芯片的集成规模提升了十亿倍以上。据悉，采用 5nm CMOS 工艺的苹果处理器芯片 A14 内部已集成了 150 亿颗晶体管，其运算性能可比肩目前性能最强的 MacBook笔记本电脑。我们生活中的每个角落都充斥着各种各样的微电子芯片，它们感知、处理并产生了海量的信息，让人类社会变得越来越智能和便捷，但是这些数字化信息的传递和通信成为一大难题。 为了解决信息传输问题，人们注意到了另一种信息载体——光子。光子可以以宇宙中最高的速度传输，其传输速率不会随着传输通道变窄而变慢，而且不易发生串扰，因此十分适合信号的通信和传输。相比于电导线互连，光通信技术具有超高速率、超大容量、超长传输距离和超低串扰等显著优势，因而被广泛地应用在电信网络、卫星通信、海底通信、数据中心和无线基站等通信设备中。目前，人类社会超过95%的数字信息需要经过光通信技术来传播，其重要性不言而喻。光通信系统所必需的光源、调制（电信号转换为光信号）、传输、控制、探测（光信号转换为电信号）等功能都需要通过光电子器件来实现。研究和利用光电子器件中的光子和电子相互作用机制和功能的技术则被称为光电子技术。集成多种光电子元器件功能的芯片也就被称为光电子集成芯片，或简称为光芯片。 在微电子技术和光电子技术这两大支撑性技术的共同发展和推 2 动下，我们已经逐渐构建起一个“电算光传”的信息社会。然而，随着微电子芯片和光电子芯片的物理极限被不断迫近，两大技术都面临着严峻的挑战。一方面，微电子“摩尔定律”接近终结。微电子芯片内部集成度不断提高，晶体管尺寸不断微缩导致量子效应的影响加剧，晶体管的不可靠性显著增加。此外，微电子芯片所产生的大量信号无法有效地通过其内部的精细电导线传递出来，出现了“茶壶里煮饺子倒不出来”的信息拥堵现象，成为困扰微电子芯片升级的一大瓶颈。另一方面，随着网络流量爆发式增长，在光通信领域也存在类似于“摩尔定律”的现象，即网络流量每 9-12 个月翻一番，骨干光通信设备每 2-3 年才升级一次。只有将光器件和光芯片做得更快、更小、更便宜才能满足人们对“提速