Silicon Photonics晶元簡介

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其實，從上個世紀八九十年代開始，談「摩爾定律」色變的各位先行者就開始探索半導體晶元的繼任者，企圖在硅晶元發展到物理極限時取而代之。筆者還記得當初上學時，老師告訴我們CMOS工藝發展到十幾納米左右就會到物理極限。結果現在7nm的晶元都造出來了，代替CMOS工藝的成熟技術還沒有大規模應用。

這裡，我們就介紹一下一種傳說中在「More than Moore」中的技術。Silicon Photonics。

早在1969年，貝爾實驗室的S.E.Miller首次提出了集成光學的概念。隨著微電子集成電路的發展，1972年，S.Somekh和A.Yarive提出了在同一半導體襯底上集成光學器件和電器件的設想。上世紀90年代，隨著硅基集成電路尺寸逐漸減小，其特徵尺寸已進入光通訊波長範圍。另外，Si和SiO2材料之間的折射率差別較大，（Si大約3.45，SiO2大約1.44），容易發生全反射，這也有利於減小光集成器件尺寸，提高光晶元的密度。然而，從另一方面來說，在CMOS晶體管尺寸已經縮小到10nm左右的今天，由於光學衍射效應，集成光學器件的尺寸無法繼續縮小，這也在一方面限制了硅光晶元的發展。因此，目前所說的Photonic Integrated Circuits (PIC)，都是指在片上集成光連接和光電轉換器件，再轉換成電學信號用CMOS集成電路進行處理。而不再是如最初提出時一般，用光學器件來完全取代晶體管。

Source: N. Savage, Linking with Light, IEEE Spectrum, 2002.

正如上圖所示，現在我們也只是發展到光纖到戶，許多data center會用到光纖的板級互連。但最下面的晶元級通訊，現在各大公司和科研院所已經有了demo的chip，100G的模塊已經基本成熟，但距離市場級的全面應用還尚有很大的距離。（PS:上面那篇文章發表於2002年，現在15年過去了，距離該作者的預言尚未完成一半，不知道該是慶幸還是悲傷。。。）

其實，說了這麼多，Silicon Photonics能夠讓許多公司和研究人員對此趨之若鶩的主要原因就在於成本低，功耗低，而且Si是導光的良好材料。由於SOI工藝的發展，一般的SOI上Si的光波導的損耗已經可控制在2、3dB/cm。但是，現在還有一些缺陷限制了它的廣泛使用：

如何光電互連：即光源Laser和Photodetector。Si材料本身是間接帶隙，因此現在所有光源都必須添加其他材料進行製作，比如III-V或Ge，這意味著無法在與標準CMOS SOI工藝上製作全部的光學器件。這也同時引入了一系列的成本問題。
如何控制光：是指控制波長的偏差。由於光學器件是與尺寸，厚度，doping等工藝參數息息相關。比如根據測試結果可知，Grating coupler的poly silicon厚度偏移10%，coupling的波長會移動50nm左右。再比如片上的Photonic Modulator，很多還尚且需要Heater來進行調節。這也給系統的複雜度和成本帶來了挑戰。
如何集成：隨著CMOS晶體管尺寸逐漸減小，而光學器件由於波長和衍射的限制卻無法繼續縮減，這也是比較有趣的一點。此外，在光晶元和電晶元之間的package也是一個值得研究的方向。

下面舉一個SiPh Communication晶元的例子：

Source: C. Sun, et al. "Single-chip microprocessor that communicates directly using light", Nature, 2015.

該文章公布了一個可以稱之為Microprocessor的系統，理論上傳輸速度550Gb/s。有興趣的同學可以去找來看一下（PS:其實筆者不清楚為什麼它的傳輸波長不在業界通用的1550nm或1310nm）。對於這種所謂的光通訊，其實筆者覺得可以這樣來簡易理解：我們把它分成光和電兩部分來看。電信號的處理部分，其實就是Serdes加上Digital Processing；而光學部分的功能，說白了就是先用電信號把光信號進行調製，發送出去後送到接收端的Photodetector，再轉化成電信號。只不過每一步都有一些特別的模塊用來調節。

總之，希望能通過這篇簡單的介紹，能夠讓大家對Silicon Photonics有一個大體的了解。倘若有同學比較感興趣，期待多多交流，共同進步。