科创中国

问题描述

光电子与微电子融合是国际芯片产业发展的重大趋势和研究热点。通过CMOS兼容工艺在硅芯片上实现光电子功能器件和微电子集成电路的系统化集成，有助于促进光电子与微电子进一步深度融合、协同发展和架构革新。超高速、智能化、低功耗的硅基光电子集成芯片将成为光通信、5G移动通信、数据中心、超级计算、人工智能、量子信息、消费电子和传感等重要领域的关键使能技术。然而实现硅基光电融合仍然面临着硅基光源、片上光放大、低功耗元件、光电集成工艺、先进封装技术等一系列工程技术难题和挑战。

问题背景

信息系统和网络作为信息化社会的“主动脉”，承担着信息获取、传输、交换和处理等重要功能。而其中的信息光电子芯片既是“数字化新基建”的核心和基石，也是全球信息通信价值链尖端领域和网络强国建设的“国之重器”。近年来光通信/光互联、光传感/光测量、光计算/光处理等技术的快速发展和广泛应用，带动了对光电子芯片的海量市场需求。 相比于由分立器件构建光电子系统，光电子芯片在尺寸、性能、成本、能耗以及集成性、可靠性、扩展性等方面都具有无可比拟的优势。特别是，伴随着微电子和光电子技术的发展，硅光电子集成芯片应运而生，其CMOS兼容、多功能、高集成度、低功耗等突出优势已发展成为新一代光电子芯片技术，因而被视作光电子集成和融合的理想平台。

最新进展

从世界范围看，硅光芯片技术的研究主要由美国、欧洲和日本引领，一系列硅光芯片和模块产品在数据中心和相干光传输等市场取得了成功。目前，100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s硅光系列产品占据了全球相干光模块市场约30%以上。而100Gb/s和400Gb/s硅光模块也成为数据中心光模块的重点方案。除传统光模块之外，国外研发机构正在致力于实现硅光芯片与高性能微电子芯片的融合，并已验证了集成硅光I/O芯片的新一代FPGA、CPU和ASIC芯片。以上硅基光电子芯片的进展为下一代微电子芯片打破性能瓶颈，保持持续升级趋势提供了有力支撑。 我国目前硅光产品技术仍处于早期阶段，多家企业和科研院所已经逐步展开硅光产业化工作。2018年，中国信科集团和国家信息光电子创新中心联合实现我国首款100Gb/s硅光芯片的正式投产，随后在2019年首次完成基于硅光技术的Pb/s光传输系统实验。2020年，部分国内厂商也展示了400Gb/s硅光模块样机。但总体来讲，国内在硅光产业的整体技术水平和产品工程化能力上与国外还有较大差距。 存在的问题与挑战 目前硅基光电子集成芯片的集成规模仍受限于光子元件的尺寸和功耗等方面，亟待开展新结构、新材料及新工艺研究，以进一步推进硅光芯片向光电子片上系统发展。主要问题包括以下几方面： 1)缺乏适用于大规模集成的光电子单元器件完整体系。目前，光电子单元器件研究大多属于单点突破，整体统筹缺乏，在性能、功耗和尺寸等方面难以适应大规模集成发展需求。因此，亟需从片上系统需求出发，基于结构和工艺兼容性，研制一系列更小尺寸、更低功耗、更高性能、更大容差的单元器件，并形成下一代硅基光电子元器件库。 2)光电子片上系统芯片制备工艺能力和基础积累薄弱。我国硅基光电子器件及芯片的材料生长、加工精度、良率控制、芯片可靠性等方面存在不足，工艺研发能力和人才储备较为薄弱。亟需发展支撑硅光芯片研发、中试和产业化的工艺平台，在硅基异质集成、硅基光电集成等工艺方面开展深入研究。 3)光电子片上系统芯片架构及设计自动化能力不足。随着光电子芯片的复杂度日益增长，芯片架构设计的重要性日益凸显。亟需探索光电融合芯片创新架构，开展光电子仿真和设计自动化软件研发，面向信息产业重要应用研究新一代光电子片上系统，抢占未来技术制高点。 光电封装及调控技术不完善。未来硅基光电子片上系统的光学和电学接口数量将超过现有光电子芯片100倍以上，既要实现高频、高密度、低串扰的光学/电学连接，还要保障整体性能及可靠性，给光电封装技术带来极大挑战。亟需研究光电融合整体布局与封装方法，并探索其系统调控技术，补偿工艺偏差、温度、串扰等随机因素影响。

重大意义

硅基光电子芯片技术既可应用于芯片级光互连，又适用于长距离光纤通信，可实现全功能光电子集成，具有极高的通用性和兼容性，是微电子和光电子两大产业公认的融合发展方向。 随着数字化、智能化社会的发展，硅基光电子片上系统芯片将在更广阔的应用领域发挥重要作用，特别是信息领域的光通信/光互联、光传感/光测量、光计算/光处理等技术领域全面发挥核心作用。发展超大容量超低能耗的可重构多维度光通信与光互联技术、多参量多尺度的高灵敏度光测量与光传感技术、超大规模的智能化光计算与光处理技术是其重要趋势。 此外，利用国内现有微电子产业资源和CMOS制造平台，建立健全硅光产业链，能有效提升我国信息光电子的制造能力，缓解高端光电子芯片“卡脖子”困境，为我国信息化新基建提供有力支撑。