免费下载，2024硅基光电子技术路线图

2024-02-19

1月25日刊载于Nature Communications的Roadmapping the Next Generation of Silicon Photonics这篇文章，绘制了硅光子技术的代际趋势，并从CMOS技术的代际定义中得出了相似之处。

研究人员确定了必须解决的关键技术挑战，以便在cmos代工厂兼容器件，电路，集成和封装方面发展进步；还提出了在通信、信号处理和传感方面对下一代系统和应用至关重要的挑战。

在光通信技术进步的推动下，硅光子已发展成为主流技术。

当前这一代已经导致集成光子设备的激增，从数千到数百万，主要是数据中心的通信收发器。在传感和计算等许多令人兴奋的应用领域，产品即将问世。

怎样才能使硅光子的出货量从数百万增加到数十亿?下一代硅光子会是什么样子?硅光子应用面临的集成和制造瓶颈有哪些共性?哪些新兴技术可以解决这些问题?

硅基光电子技术路线图的文章通过识别和总结这些挑战和机遇，希望能助力硅光子学生态系统的设备、电路和系统的进一步研究。

世代路线图

硅基光子集成电路(PICs)于1985年被引入，低损耗波导的厚绝缘体硅(SOI)工艺在1991 - 1992年被证明。

接着，各种光学器件随后被展示，很快，硅光子进入了小规模集成(SSI)时代——在一个PIC上有1到10个组件。

时间轴：硅光子集成电路(PIC)上各代小规模、中规模、大规模和超大规模集成(分别为SSI、MSI、LSI、VLSI)元件数量

下一个时代迎来了硅光子的商业成功。在中等规模集成(MSI)时代，PIC上有10到500个组件。

现在，硅光子正在迈向大规模集成(LSI)的下一个时代——在同一块芯片上容纳500到10,000个组件。

LSI的应用包括激光雷达、图像投影、光子开关、光子计算、可编程电路和复用生物传感器。甚至，VLSI（>10000个元件）的原型现在已经被展示出来。

在通信领域，硅光子已经从SSI时代的挑战者技术转变为MSI时代的主导技术，用于数据中心内和数据中心间的互连，并有望成为LSI时代的主导技术。

采用当前和未来技术的大规模集成电路硅光子系统的图解

经过几代CMOS工艺的发展，许多材料被添加到硅中，以降低功耗，提高性能，缩小面积。

文章提到：缩小面积将是下一个十年大规模集成电路和超大规模集成电路时代，硅光子工艺发展的关键焦点

关键的技术：

光电调制技术：硅基光电子技术中的电光调制器的进展，使电子信号转换为光信号的效率更高。
高速调制器和相位移动器：高速调制器的发展对提高数据传输速率很重要。相位移动器，在控制光子电路中光的相位方面也取得了显着的改进。
激光集成：直接在硅芯片上集成激光器是一个重要步骤，使得光子系统更紧凑、更高效。
雪崩光电探测器：这些组件对将光转换回电子信号至关重要，经过改进，提高了光子系统的灵敏度和速度。这些技术发展是硅光子日益增长的能力和应用的基础，推动它成为电信、计算和传感等各个领域的关键技术。

随着硅基光电子技术的不断发展，出现了几个未来方向和挑战：

规模和集成：继续缩小光子组件的规模并与电子技术集成是关键焦点。涉及克服诸如在纳米级别对齐光学和电子组件的挑战。
材料创新：探索可以与硅集成以提高性能的新材料，如混合激光源和先进的调制器。
能源效率：随着系统变得更复杂，降低功耗仍是一个关键挑战。
拓宽应用：将硅基光电子技术的应用扩展到电信和数据通信之外的领域，如生物医学应用、传感和量子计算。
标准化和可制造性：确保硅基光电子技术的进步可以转化为成本效益高、可制造的解决方案，广泛采用。解决这些挑战对于硅基光电子技术的持续增长和成功很重要，使其成为高速数据传输和处理的关键技术。

硅光子在通信、计算、信号处理和传感领域应用的主要技术挑战(截至2023年)，如图：

硅光子的技术及应用在不断发展进步——从几十年前制造出第一个高约束波导和第一个调制器，到战略性地利用CMOS行业的材料、集成和封装技术，成为收发器领域的主导技术。

文章还提到了一些未来可能实现的里程碑，如商业化拓展等；对硅基光电子技术在更大系统中如何发挥作用，如将光子学与电子学集成，解决热管理、电子-光子信号同步和能源效率等挑战……

原文：Roadmapping the next generation of silicon photonics | Nature Communications