硅光子集成芯片技术和产业化进展

作者：陆敏，《化合物半导体》杂志主编

近日，中国科研团队成功开发出可批量制造的新型“光学硅”芯片引发了业界高度关注，团队联合开发了超低损耗钽酸锂光子器件微纳加工方法，结合晶圆级流片工艺，成功制备出钽酸锂光子芯片。而该芯片所展现出的特性有望为突破通信领域速度、功耗、频率和带宽四大瓶颈问题提供解决方案，并在低温量子、光计算、光通信等领域催生革命性技术。这不仅标志着硅光子技术的又一里程碑，也预示着该领域将为未来通信、计算和传感等应用带来革命性的影响。硅光子集成芯片技术，作为微电子和光电子技术融合的产物，是现代信息技术发展的关键驱动力之一。它通过在硅基材料上集成光电子元件，实现了光信号的生成、调制、传输和检测等功能，对于提高数据传输速率、降低能耗、减小体积具有重要意义。根据知名咨询机构的研报，2024年硅光子市场规模约25亿美元，预计到2029年将达到89.6亿美元，年复合增长率为29%。

硅光子技术的发展可以追溯到20世纪70年代的贝尔实验室，当时科学家们开始探索在硅基材料上集成光电子元件的可能性。1980年代，随着微电子工艺的进步，硅光子技术开始获得实质性的发展。到了21世纪初，随着互联网和移动通信的爆炸性增长，硅光子技术迎来了快速发展期。关键技术进步主要包括光波导的设计与制造、高效率的光调制器和探测器和光电子集成平台的开发。硅光子集成芯片技术在量子通信领域的最新研究进展主要集中在以下几个方面：超导硅光子芯片，南京大学与中山大学的研究人员合作开发了一种基于超导硅光子学的芯片，首次实现了独立于测量设备的量子密钥分发（MDI-QKD）系统。单光子探测器（SNSPD），单光子探测器是量子密钥分发（QKD）的关键元件，非常适合光子芯片集成以实现实用和可扩展的量子网络。通过利用集成光波导的SNSPD独特的高速特性，可以显著提高量子通信系统的性能。全芯片QKD系统，尽管光源和SPD（单光子探测器）的集成仍然具有挑战性，但近年来已有一些基于硅的QKD器件的原理验证演示报告。这表明硅光子技术在全芯片QKD系统中的应用前景广阔。集成微腔光梳驱动的新型硅基光电子片上集成系统，北京大学王兴军教授课题组和加州大学圣芭巴拉分校John E. Bowers教授课题组在《自然》杂志上报道了由集成微腔光梳驱动的新型硅基光电子片上集成系统，这一突破为硅光子技术在量子通信中的应用提供了新的可能性。全光纤集成和硅光子集成技术，清华大学电子工程系张巍教授结合硅光子集成、微纳光电材料和光纤光学，通过“全光纤集成”和“硅光子集成”的技术路线发展光量子器件和光量子芯片，以此为基础推动量子通信、量子成像和量子网络的技术创新和实际应用。代表性公司如Intel、台积电和Luxtera等，都在硅光子技术的发展上做出了重要贡献。这些公司不仅推动了技术的进步，还通过商业化应用，加速了硅光子技术的产业化进程。目前全球硅光子芯片市场的主要生产商包括Luxtera、OpenLight和思科等。其中，Luxtera以其创新的CMOS光子器件技术占据较大市场份额；OpenLight则在集成激光器和调制器的技术应用方面表现突出；根据Yole的数据，Luxtera在硅光子市场中的占有率为35%。他们曾研发世界第一款CMOS光子器件。OpenLight已经开发出了多项技术，可将磷化铟集成到硅光子芯片中，用来制造驱动光子电路的集成激光器、调制器等。这些技术的应用使得OpenLight在硅光子芯片的集成和性能方面具有显著优势。

展望未来，这一领域也面临着不少挑战。技术层面上，如何进一步提高集成度、降低成本、提升性能是当前的主要难题，还包括解决硅光子集成芯片生产中的热、光和电串扰问题。产业层面上，封装和测试环节也是硅光子芯片产业链中的关键部分，这些环节需要高度精确的操作和复杂的设备支持，以确保芯片的性能和可靠性。随着量子计算、人工智能等新兴技术的发展，硅光子技术有望进一步融合，形成更加高效、智能的光电子系统。硅光子集成芯片技术，作为光电子领域的前沿技术，正逐渐成为推动信息技术发展的关键力量。