IBM CMOS Integrated Silicon Nanophotonics chip technology
光子產(chǎn)業(yè)（Photonics Industry）是推動21 世紀(jì)經(jīng)濟發(fā)展的朝陽產(chǎn)業(yè)。光子學(xué)是關(guān)于光的科學(xué)和技術(shù),，特別是光的產(chǎn)生,、指引、操縱,、增強和探測,。從通信到衛(wèi)生保健，從生產(chǎn)材料加工到照明設(shè)備和太陽能光伏,，到日常使用的DVD播放器和手機,，光子技術(shù)已經(jīng)滲透到生產(chǎn)生活的方方面面。谷歌,、通用汽車等信息通訊技術(shù),、制造業(yè)企業(yè)，對光學(xué)與光子技術(shù)十分依賴,。
目前,，光子芯片技術(shù)已經(jīng)由硅光子集成技術(shù)向納米光子學(xué)范疇邁進,。在材料方面,，石墨烯等先進材料的研究也有望將光子芯片技術(shù)的應(yīng)用推向新的高度。隨著光子技術(shù)的不斷發(fā)展,，光子技術(shù)將幫助突破計算機電子技術(shù)的局限,；通過大幅增加數(shù)據(jù)容量和提高數(shù)據(jù)傳輸速度，它將推動通信行業(yè)進入太比特時代,，同時降低碳足跡和單位成本,。
業(yè)界普遍認為，光子學(xué)具有類似于電子學(xué)的發(fā)展模式,，都是由光子器件向光子集成,，光子系統(tǒng)方向發(fā)展。
大規(guī)模集成電路已經(jīng)走了近五十年的歷程,。其主流技術(shù)CMOS的集成度每18個月翻一番（摩爾定律）,。集成度的提高使芯片的功能成百上千倍的增強。現(xiàn)代科技可以說是以此為基礎(chǔ)的,。而集成光路技術(shù)的發(fā)展會帶來同樣的效應(yīng),。集成后的光器件除了功能上的益處外，其在總體成本上的益處比起集成電路來更勝一籌,。由于單立光器件的封裝成本要占到器件成本的2/3,，集成可以大規(guī)模降低單立光器件的數(shù)量,，從而降低總體的成本。同時,，封裝界面的減少也會是集成器件的性能成倍的提高,。
目前比較經(jīng)濟的發(fā)展思路是將集成光子工業(yè)基于微電子工業(yè)之上，使用硅晶作為集成光學(xué)的制造平臺,。這將使全球歷時五十年,、投入數(shù)千億美元打造的微電子芯片制造基礎(chǔ)設(shè)施可以順理成章地進入集成光器件市場，將成熟,、發(fā)達的半導(dǎo)體集成電路工藝應(yīng)用到集成光器件上來,，一下子將集成光學(xué)工業(yè)的水平提高。這正是目前發(fā)展良好的硅光子技術(shù)的發(fā)展思路,。
Computercom DrivingDevelopment and Large-Scale Deployment of Parallel Optical Transceivers
雖然硅光子還面臨很多技術(shù)瓶頸,，但在整個產(chǎn)業(yè)界的向心力下，正在被一個一個的克服,，產(chǎn)業(yè)界對硅光子大規(guī)模商用也抱有極大的信心,。尤其是數(shù)據(jù)中心的短距離應(yīng)用，讓硅光子找到了最合適的用武之地,。數(shù)據(jù)中心的巨大潛力,，以及英特爾等廠商的大力推動，促使硅光子的研發(fā)進程進一步加速,。目前,，硅光子技術(shù)已經(jīng)進入集成應(yīng)用階段。
根據(jù)Yole Développement在2014年針對硅光子產(chǎn)業(yè)的報告,，硅光子的產(chǎn)業(yè)鏈與電子集成電路的產(chǎn)業(yè)鏈相似,，上游主要包括晶圓、制造設(shè)備和原材料供應(yīng)商,，中游則是負責(zé)設(shè)計,、制造和封裝的芯片公司，下游則主要分為光互連公司,、服務(wù)器公司和谷歌,、亞馬遜、微軟等最終用戶公司,。Yole Développement認為,，最終用戶公司是硅光子技術(shù)在數(shù)據(jù)中心方面研發(fā)的主要驅(qū)動力。
硅光子技術(shù)的應(yīng)用挑戰(zhàn)主要來自技術(shù)方面,。激光光源的集成便是一個主要技術(shù)挑戰(zhàn),，對此，銻化銦芯片上的激光芯片后端處理或?qū)⑹且粋€值得關(guān)注的方法,。功耗問題也很重要,。目前的功耗水平大約在10pJ/bit,，2025年的目標(biāo)是要將功耗降低到200fJ/ bit以下。此外,，產(chǎn)業(yè)界也需要從并行光纖發(fā)展至波分復(fù)用技術(shù)（wavelength division multiplexing,，WDM），大多數(shù)廠商都在其產(chǎn)品路線圖中規(guī)劃了波分復(fù)用技術(shù),。
封裝也是目前的主要技術(shù)障礙,，約占最終收發(fā)器產(chǎn)品成本的80~90%，主要由于光學(xué)校準(zhǔn)要求非常嚴(yán)格,，并且增加了組裝所需要的時間?，F(xiàn)在，MEMS技術(shù)或能幫助解決這些問題,，Kaiam公司和Luxtera公司在這方面做了很多開拓性的工作,，并建立了一些方案來提供低成本光子組裝試驗產(chǎn)線，尤其是在歐洲,。這些技術(shù)挑戰(zhàn)都和成本相關(guān),，目標(biāo)是從目前的5美元/Gb，到2020年降至0.1美元/Gb以下,。
雖然硅光子技術(shù)供應(yīng)鏈正在逐步形成過程中,，落后主流的硅半導(dǎo)體供應(yīng)鏈好多年。然而,，縱觀全球,，大舉的研發(fā)并購和相關(guān)項目正在進行，為現(xiàn)有廠商做好知識產(chǎn)權(quán)布局,。對于外包半導(dǎo)體組裝和測試廠商來說,，由于市場對低成本封裝解決方案的需求，其機遇也必定會增加,。隨著晶圓消耗數(shù)量的增長，將驅(qū)動成本不斷降低,，硅光子代工廠必定會涌現(xiàn)出來,。
圖表：未來硅光子集成發(fā)展路線圖
（top） Process integration roadmap versus photonic node
?。╞ottom） schematic example of a future Si-photonics fully integrated SoC.
資料來源：Optoelectronics Research Centre,， University of Southampton
目前國外的主流企業(yè)認為，硅光子下一款產(chǎn)品或許將會是基于硅光子技術(shù)的收發(fā)器,。除此之外,，硅光子技術(shù)也將應(yīng)用于其它產(chǎn)品，如光學(xué)生物傳感器,、氣體傳感器以及無人駕駛汽車應(yīng)用的激光雷達傳感器等,。硅光子技術(shù)能夠通過光學(xué)功能集成和微型化進一步獲得有價值的產(chǎn)品,，由此將推動兩種特別有前景的應(yīng)用發(fā)展，它們分別是無人駕駛汽車應(yīng)用的激光雷達傳感器和生化傳感器,。
美國一直注重光子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,，早在1991年就成立了“美國光電子產(chǎn)業(yè)振興會”（OIDA），以引導(dǎo)資本和各方力量進入光電子領(lǐng)域,。2008~2013年,，DARPA開始資助“超高效納米光子芯片間通訊”項目（Ultraperformance Nanophotonic Intrachip Communications，UNIC）,。目標(biāo)是開發(fā)和CMOS兼容的光子技術(shù)用于高通量的通訊網(wǎng)絡(luò),。2014年，美國建立了“國家光子計劃”產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,，明確將支持發(fā)展光學(xué)與光子基礎(chǔ)研究與早期應(yīng)用研究計劃開發(fā),，支持4大研究領(lǐng)域及3個應(yīng)用能力技術(shù)開發(fā)，并提出了每一項可開發(fā)領(lǐng)域的機會和目標(biāo),。
美國以IBM,、Intel、Luxtera公司為代表,，近年來都在光互連技術(shù)研發(fā)方面取得了不錯的成績,。
IBM demos first fully integrated monolithic silicon photonics chip
日本發(fā)展光電子技術(shù)時間也較早，1980年,，為推動光電子技術(shù)的發(fā)展,，日本成立了光產(chǎn)業(yè)技術(shù)振興協(xié)會（OITDA）。在產(chǎn)業(yè)化及市場方面,，由于光電領(lǐng)域的重大技術(shù)發(fā)明多產(chǎn)生于美國,，因此，早期日本政府主要是靠引進外國技術(shù)進行消化吸收,，后期則是自主創(chuàng)新過程,。2010年，日本開始實施尖端研究開發(fā)資助計劃（FIRST）,，該計劃由日本內(nèi)閣府提供支援,。FIRST計劃是從600個提案中選出30個核心科研項目予以資助，項目資助的總金額達到1000億日元,。光電子融合系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)（PECST）是FIRST計劃的一部分,，以在2025年實現(xiàn)“片上數(shù)據(jù)中心”為目標(biāo)。
硅光子技術(shù)在歐洲各國也受到了廣泛的關(guān)注,。2010年前,，為了發(fā)展光電子集成電路（OEIC），歐洲發(fā)起了幾大項目：PICMOS項目驗證硅回路上InP鍵合器件的全光鏈路；隨后發(fā)起的WADIMOS項目進一步驗證光網(wǎng)絡(luò),；英國硅光子學(xué)項目和歐洲HELIOS項目主要關(guān)注光電子集成的電信設(shè)備,，可以完成SOI光子回路的晶片鍵合或光子金屬層的低溫制造。從2013開始,， 歐盟的節(jié)能硅發(fā)射器使用III-V族半導(dǎo)體量子點和量子點材料的異質(zhì)集成（SEQUOIA）項目一直在開發(fā)具有較好的熱穩(wěn)定性,、高調(diào)制帶寬以及可能產(chǎn)生平面波分復(fù)用蜂窩的混合III-V激光器。作為歐盟第七框架計劃（FP7）研發(fā)領(lǐng)域的具體目標(biāo)研究項目（STREP）之一,，IRIS項目由愛立信與歐洲委員會聯(lián)合創(chuàng)建,，旨在利用硅光子技術(shù)，創(chuàng)建高容量和可重構(gòu)WDM光交換機,，實現(xiàn)在單個芯片上整體集成電路,。
2013年，歐盟啟動4年期針對硅光子技術(shù)的歐盟PLAT4M（針對制造的光字庫和技術(shù)）項目,。該項目的目的是打造硅光子技術(shù)的整個產(chǎn)業(yè)鏈,，聚集了以法國微電子和納米技術(shù)研究中心CEA-Leti為領(lǐng)導(dǎo)的包括德國Aifotec公司等在內(nèi)的15家歐盟企業(yè)和研究機構(gòu)以及潛在用戶。
在硅基光子學(xué)研究方面,，我國較早開展了相關(guān)研究,，例如中科院半導(dǎo)體研究所的王啟明院士近年來專心致力于硅基光子學(xué)研究，主持了國家自然科學(xué)基金重點項目“硅基光電子學(xué)關(guān)鍵器件基礎(chǔ)研究”,，在硅基發(fā)光器件的探索,、硅基非線性測試分析等方面取得了許多進展。但從整體來看,，我國對硅基光子學(xué)的研究與世界相比還有一定差距,。
我國硅光子產(chǎn)業(yè)也處于發(fā)展初期，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較為薄弱,。目前,，光迅科技、華為,、海信都已經(jīng)在硅光子產(chǎn)業(yè)開展部署規(guī)劃,，光迅科技已經(jīng)投入研發(fā)探索硅光集成項目的協(xié)同預(yù)研模式，力爭打通硅光調(diào)制,、硅光集成等多個層面的合作關(guān)節(jié),，但是國內(nèi)整體技術(shù)發(fā)展距離發(fā)達國家仍有較大的差距。中國在光電子器件制造裝備研發(fā)投入分散,，沒有建立硅基和 InP 基光電子體系化研發(fā)平臺。隨著國內(nèi)企業(yè)綜合實力逐漸增強,，以及國家集成電路產(chǎn)業(yè)的扶持,，國內(nèi)廠商需要不斷加快推進硅光子項目。
美國賓夕法尼亞大學(xué)的Ritesh Agarwal教授在TED演講上對硅基納米光子技術(shù)的介紹,，聽這位大牛的課一定很心酸,，因為口音實在在是太濃厚了,。。,。,。還好我們有字幕
Silicon Nanophotonics- turn off the dark - Ritesh Agarwal - TEDxPSU
高端裝備發(fā)展研究中心報告推介：《國內(nèi)外光子芯片技術(shù)研究及應(yīng)用前景調(diào)研報告》，點擊“閱讀原文”查看詳細報告目錄,，如需訂購或定制相關(guān)課題報告請聯(lián)系我們,。010-52882700/57325805
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