人類每天制造約2.5千億字節(jié)的數(shù)據(jù)，并且這個(gè)數(shù)字將隨著5G、大數(shù)據(jù)的普及而快速上升。福布斯2018年一項(xiàng)調(diào)查顯示，世界上的90%的數(shù)據(jù)都在過去兩年間產(chǎn)生。伴隨著數(shù)據(jù)流量的爆炸性增長(zhǎng)，傳統(tǒng)電子信息互連架構(gòu)已無法滿足日益增長(zhǎng)的帶寬以及能耗需求。

　　因此，硅基光電子芯片（Silicon photonics）應(yīng)運(yùn)而生。硅基光電子芯片既可利用微電子技術(shù)在低成本、大規(guī)模 CMOS 集成方面的優(yōu)勢(shì)，又兼具光信號(hào)在傳輸過程中衰減小，傳輸帶寬高，傳輸速率快、抗干擾性能強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。硅光技術(shù)作為后摩爾定律時(shí)代實(shí)現(xiàn)片上光互連最具有潛力的方案之一，在激光雷達(dá)、生化傳感、量子信息處理和高性能計(jì)算等領(lǐng)域極具潛能。

　　然而，硅是間接帶隙半導(dǎo)體，無法實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)光。隨著硅基調(diào)制器、探測(cè)器、耦合器等光子集成器件逐漸成熟，高效的硅基片上光源已然成為制約硅光技術(shù)發(fā)展的瓶頸。為了突破該瓶頸，片上激光器作為硅光芯片的“心臟”，成為了光子學(xué)研究近十年最活躍的領(lǐng)域之一。

　　近日，美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校（UCSB）John Bowers教授團(tuán)隊(duì)與阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）萬雅婷助理教授團(tuán)隊(duì)，受邀撰寫了題為“Prospects and applications of on-chip lasers”的綜述文章，在卓越計(jì)劃高起點(diǎn)新刊eLight上發(fā)表。該文章系統(tǒng)介紹了硅基片上光源的不同方案及最新研究進(jìn)展，并展望了該技術(shù)在通信、激光雷達(dá)、傳感、量子信息處理和光計(jì)算等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

圖1：硅基集成光子芯片示意圖

片上激光器的實(shí)現(xiàn)方案

　　理想的集成片上激光器應(yīng)滿足以下幾個(gè)要求：

　　第一、發(fā)光效率高；第二、可實(shí)現(xiàn)電泵浦激射；第三、與現(xiàn)有的CMOS工藝兼容；第四、出射光波長(zhǎng)和現(xiàn)有的光通信波長(zhǎng)相匹配（1310 nm/1550 nm）。

　　此外，作為光子集成回路(Photonic integrated circuit, PIC)的核心部分，集成片上激光器還必須確保能在溫度范圍較大的環(huán)境下穩(wěn)定工作（30至150°C）并擁有足夠長(zhǎng)的工作壽命。

　　當(dāng)前，集成片上激光器從材料上主要分為鍺硅IV族光源和硅基III-V族光源。鍺硅IV族光源可通過n型摻雜、應(yīng)力拉伸和鍺錫 (GeSn) 合金等方法將鍺由間接帶隙材料改造成直接帶隙材料，大幅提高原有的發(fā)光效率。鍺和硅同為四族元素，硅上生長(zhǎng)鍺的工藝亦相對(duì)成熟。然而，目前實(shí)現(xiàn)的鍺硅IV族激光器的閾值電流和發(fā)光效率等性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于III-V族激光器，無法達(dá)到實(shí)際使用的要求。

　　III-V族材料是直接帶隙半導(dǎo)體，其發(fā)光特性具有先天優(yōu)勢(shì)。目前，將III-V族材料集成到硅襯底的集成方案主要有三種：混合集成(Hybrid integration)、基于晶圓鍵合的異質(zhì)集成(Heterogeneous integration)和基于直接外延生長(zhǎng)的單片集成(Monolithic integration)。

　　混合集成利用耦合器將外部光源引入到硅波導(dǎo)中，能在封裝前對(duì)每一個(gè)器件進(jìn)行測(cè)試和表征，選擇性能表現(xiàn)良好的芯片進(jìn)行封裝，因此具有很高的靈活性。但是，受限于復(fù)雜的封裝技術(shù)和III-V族襯底的使用，混合集成制作成本高昂，尺寸大，較難實(shí)現(xiàn)片上激光器的大規(guī)模集成。異質(zhì)集成通過低溫等離子鍵合等技術(shù)將III-V族襯底與硅晶圓鍵合，再進(jìn)行后續(xù)的器件制作。回避了第一代flip-chip方案中耦合效率不夠高、對(duì)準(zhǔn)調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)等問題，目前已直接催生出三家相關(guān)的初創(chuàng)企業(yè)。該領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)軍英特爾（Intel）公司在此基礎(chǔ)上經(jīng)過了十多年的發(fā)展，所研制的基于該硅光子技術(shù)的光電收發(fā)器已經(jīng)達(dá)到每年約200萬只的出貨量，產(chǎn)品也從100G快速迭代到200/400G甚至更高速率。但是，異質(zhì)鍵合的方案受制于III-V族襯底的使用，限制了成本的進(jìn)一步降低。

　　在硅襯底上直接外延III-V族材料的方式適合大尺寸生長(zhǎng)和大批量生產(chǎn)，是解決硅基光電集成缺少核心光源的理想方案。但是，受限于III-V族和硅材料的極性不同、晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異，在硅上直接生長(zhǎng)III-V族材料會(huì)出現(xiàn)反相疇、穿透位錯(cuò)和微裂縫等材料缺陷問題，進(jìn)而會(huì)對(duì)器件壽命和工作性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。針對(duì)這一問題，研究人員采用非對(duì)稱緩變過濾層、捕獲層等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低了材料的位錯(cuò)密度的同時(shí)，還采用對(duì)位錯(cuò)缺陷不敏感的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低位錯(cuò)缺陷對(duì)激光器性能的影響。該結(jié)構(gòu)的激光器壽命測(cè)試結(jié)果顯示，在4000小時(shí)的80 ℃高溫測(cè)試環(huán)境中，器件僅顯示出6.8%的閾值電流變化。這表明該激光器的工作壽命高達(dá)一百萬小時(shí)，完全可以滿足數(shù)據(jù)中心、超算中心等的實(shí)際需求。進(jìn)一步，研究人員在外延生長(zhǎng)量子點(diǎn)的基礎(chǔ)上引入晶圓鍵合，通過錐型波導(dǎo)，將電泵浦產(chǎn)生的量子點(diǎn)激光模場(chǎng)轉(zhuǎn)移到硅波導(dǎo)中。這種將量子點(diǎn)激光器集成到硅光芯片上的技術(shù)，不僅具有顯著的低成本優(yōu)勢(shì)，更兼具兩者協(xié)同效應(yīng)所帶來的性能優(yōu)勢(shì)，為硅光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了具有大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景的解決方案。

圖2：片上量子點(diǎn)激光器示意圖及器件圖片（整個(gè)工藝流程在4寸硅基晶圓上完成）

片上激光器的應(yīng)用

　　硅基III-V族片上激光器可結(jié)合III-V族材料的高發(fā)光效率和硅材料的成熟工藝、高集成度和低成本等特性, 有望引領(lǐng)未來硅基光電子集成領(lǐng)域在不同應(yīng)用場(chǎng)景的飛速發(fā)展：

　　數(shù)據(jù)通信：硅基光電子芯片發(fā)展的最大驅(qū)動(dòng)力仍然是數(shù)據(jù)通信。英特爾(Intel)、博通（Broadcom）、思科（Cisco）和惠普（Hewlett Packard Enterprise）等公司在硅光芯片持續(xù)發(fā)力，不斷提出具有創(chuàng)新性的解決方案，推動(dòng)著硅光芯片的傳輸速率從Gbps邁進(jìn)了Tbps數(shù)量級(jí)。

　　激光雷達(dá)：基于光學(xué)相控陣 (OPA) 的調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) 激光雷達(dá)具有實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)探測(cè)距離、直接速度測(cè)量、強(qiáng)大的抗干擾性的激光雷達(dá)系統(tǒng)的潛力。硅基光電子平臺(tái)作為最有希望實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)激光雷達(dá)的平臺(tái)之一，在近年來已實(shí)現(xiàn)了眾多關(guān)鍵技術(shù)突破。

　　生化傳感：Covid-19以來，具有生物健康監(jiān)測(cè)功能的可穿戴設(shè)備出現(xiàn)了巨大的市場(chǎng)需求。集成硅光傳感技術(shù)，主要有光譜吸收型和折射率變化型兩種方案。硅光傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高靈敏度、便攜式傳感器的最有前景的方案之一，已推動(dòng)了多個(gè)產(chǎn)品的落地。

　　量子信息處理：光量子技術(shù)利用光子的量子特性進(jìn)行信息的處理，在近年來報(bào)道的多個(gè)前沿工作中，都被證明了在保密通信、分子模擬等方面具有重要的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的量子光路都是由分立的光學(xué)鏡片構(gòu)成，光路復(fù)雜，并易受干擾。將量子光源和線性網(wǎng)絡(luò)部分在硅光芯片上集成之后，光量子信息處理回路體積可大大縮小，并兼具抗干擾，編程操控性等性能，有望成為量子信息領(lǐng)域發(fā)展的核心技術(shù)之一。

　　光計(jì)算：相比于微電子芯片，硅光芯片兼具高通量、高能效比和超低延遲的特性，在計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)具有顯著優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，硅光計(jì)算芯片的研究主要集中于全光邏輯、光電融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)等方面，這些創(chuàng)新的計(jì)算架構(gòu)，將為當(dāng)下摩爾定律制約、馮諾依曼瓶頸等問題提供新的解決思路。

　　圖3：集成片上激光器的硅基光子集成芯片的應(yīng)用

片上激光器及其硅基集成光電子芯片面臨的挑戰(zhàn)和展望

　　圖4：1992年以來不同發(fā)展階段的硅基光子集成的進(jìn)展情況

　　硅基光電子學(xué)中兩大核心問題是硅基光源和硅基集成技術(shù)。硅基片上光源的集成在近年取得令人矚目發(fā)展的同時(shí)，仍面臨以下嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：

　　一、硅基量子點(diǎn)激光器有望滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)發(fā)光效率、出射功率和高溫工作環(huán)境的要求，其對(duì)光反射不敏感及抗輻照等諸多優(yōu)勢(shì)是解決硅基光電集成缺少核心光源這一難題的理想方案。但目前，硅基量子點(diǎn)激光器的大部分研究仍局限于單一器件，硅襯底只起到了襯底的作用。如何實(shí)現(xiàn)多種材料和新機(jī)理在硅基平臺(tái)上的融合以及協(xié)同優(yōu)化，如何將量子點(diǎn)器件上的光導(dǎo)入硅波導(dǎo)形成具備完整的光產(chǎn)生、傳輸、調(diào)制、處理和探測(cè)功能的硅光芯片，仍然是尚未攻克的難題。

　　二、片上激光器的設(shè)計(jì)優(yōu)化重點(diǎn)從單個(gè)器件轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)層級(jí)。如何從單一分立器件的設(shè)計(jì)優(yōu)化轉(zhuǎn)移到對(duì)面向片上光互連、光計(jì)算等大規(guī)模集成光路進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)優(yōu)化，如何實(shí)現(xiàn)光器件和電器件的融合以及如何平衡光電子器件集成密度和工藝制備難度都是我們?cè)谠O(shè)計(jì)光芯片時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問題。

　　三、硅基光電子技術(shù)仍處于起步階段，許多先進(jìn)的硅基光電子技術(shù)仍止步于實(shí)驗(yàn)室大門，還未進(jìn)入產(chǎn)業(yè)界的研發(fā)階段。并且，產(chǎn)業(yè)界中各大廠商的設(shè)計(jì)思路和工藝路線之間仍存在較大差異，性價(jià)比最優(yōu)的集成片上激光器方案尚未確定，仍需要學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的協(xié)同努力尋找最佳的解決的方案。

　　從2006年第一次在硅基平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)片上激光器到現(xiàn)在，短短16年之間，片上激光器和硅基光電子芯片的研究取得了許多令人矚目的成果，成為了未來數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵技術(shù)。這是一門 “頂天立地”的科學(xué)，從基礎(chǔ)科學(xué)到實(shí)際應(yīng)用，從長(zhǎng)距離光纖連接的互聯(lián)網(wǎng)到片上光互連、激光雷達(dá)、傳感，再到未來的全光計(jì)算，隨著片上光源集成技術(shù)的不斷完善，硅光正在成為推動(dòng)新一代信息技術(shù)發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力。