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硅基光电子:微电子与光电子的交融点

发布时间:Oct 17, 2020论坛 阅读 4163 次银河登录棋牌
摘 要 在以大数据为基础的现代信息社会,硅基光电子已经成为最具潜力的高效率、低成本片上解决方案。它的优势来源于成熟微电子技术和宽带光电子技术在微纳范畴内的有机结合。近

摘 要

在以大数据为基础的现代信息社会,硅基光电子已经成为最具潜力的高效率、低成本片上解决方案。它的优势来源于成熟微电子技术和宽带光电子技术在微纳范畴内的有机结合。近年来,社会各界对这门学科的兴趣呈指数性增长。其应用也从最初的微电子扩展到通信、计算、传感、人工智能,乃至消费领域。揭示了硅基光电子发展的最初动机和挑战,评述当前的研发进展,并讨论其巨大的应用价值。希望以此推动微电子与光电子业界的进一步深度合作,使这个高效率、低成本的片上解决方案早日进入现代人的日常生活。

最初动机和挑战

@AnsonA@SEO@近50年来,微电子学一直是现代信息社会发展的驱动力。微电子芯片的发展遵从摩尔定律,即平均每18~24个月,其性能提升一倍,或者价格下降一半,以更大的集成度获得更高的信息处理性能。但近年来,微电子芯片的微缩周期因受到物理、技术、经济各方面的限制而逐渐变慢,摩尔定律面临失效。到2020年,微电子技术可能从当前5nm工艺节点提升至2~3nm节点,然而在2~3nm尺度下可容纳原子数量不到15个,由于量子效应的影响加剧,晶体管的不可靠性显著增加,严重阻碍了微电子技术的进一步发展。但是,现代社会对信息高速处理的需求却并未因微电子技术的滞后而降低,信息拥堵问题成为最先凸显出的矛盾。以多核处理器和三维存储相关的半导体技术为例,随着先进系统的进一步升级,三维存储技术迫切需要越来越高的传输速度。传统的电子信息互连架构主要是通过铜介质进行电子传导实现的,这种架构的信息传输速度和距离受限于RC时间常数以及电学损耗,所需铜线的直径将随着传输速度和传输距离的增加而显著增加,当进行100km、10Gbps电学信号的传输时,所需的铜线直径将达到惊人的200m[1],因此基本无法使用,信息拥堵问题就此产生。

为了解决信息拥堵问题,人们注意到了另一种信息载体——光子。光子作为信息传递的载体,相比电子,具有稳定可控的调制和复用维度,如振幅、相位、波长、偏振态、模式等,具有更大的带宽、更高的频谱利用率和通信容量。而硅基光电子学正是探讨微米/纳米级光子、电子、及光电子器件的新颖工作原理,并使用与硅基集成电路技术兼容的技术和方法,将它们集成在同一硅衬底上的一门科学[2]。利用硅基光电子技术有望实现微电子器件和光电子器件的大规模集成和超低功耗特性,从而获得性能优越的硅基光电子芯片,是解决传统微电子学所面临信息拥堵问题的有效方法。

硅基光电子技术诞生伊始主要用于解决芯片内光互连的问题,并逐渐扩展到通信以及数据中心等领域。与传统微电子技术相比,硅基光电子技术不仅继承了微电子方面尺寸小、耗电少、成本低、集成度高等特点,也集成了来自于光电子的多通道、大带宽、高速率、高密度等优点。硅基光电子技术发展至今,得益于大容量数据通信场景的日益增加以及新需求、新应用的出现,已逐渐从学术研究驱动转变为市场需求驱动。在硅基光电子芯片上,可集成信息吞吐所需的各种光子、电子、光电子器件,包括光波导、调制器和探测器和晶体管集成电路等[3-5],硅基光电子的学科/技术体系已基本建立。