Page 23 - 网络电信2021年11月刊下

硅基光电子在通信中的应用和挑战

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李德钊 许鹏飞 朱科健 周治平 2,3
1. 北京爱杰光电科技有限公司 2. 北京大学 3. 中国科学院上海光学精密机械研究所

摘要：硅基光电子技术拥有光的宽带、高速和抗干扰特性以及微电子技术在大规模集成、低能
耗、低成本等方面的优势。最近十年，硅基光电子技术开始进入通信产业领域，在 800Gbit/s 以
上的高速短距应用场景中发挥优势，对传统磷化铟（InP）的通信光模块形成挑战。浅谈硅基光电
子技术在通信中的应用和发展，同时简要介绍硅基光电子技术在应用中的一些挑战。解决器件性能、
封装技术、自动化软件等方面的不足，才能实现硅基光电子技术长足发展。
关键词：硅基光电子学；光通信；技术挑战

以硅材料为主导的微电子技术在过去半个多世纪中取得了
图 1 光通信系统的通信容量在过去 30 年中增加了 5 个数量级
举世瞩目的成就，一直是现代信息社会发展的驱动力。微电子
芯片的发展遵从摩尔定律，但随着微电子芯片的工艺节点向原
子级靠近，量子效应对芯片性能的影响加剧，摩尔定律面临失
效。人们使用多核处理器提高性能和降低功耗，然而总线的信
[1]
号传输速度制约了处理器的处理能力 。传统的电互连由于电
磁干扰和时延等原因，不能满足未来高速数据通信的需求。光
通信具有抗电磁干扰、高传输率、低能耗、低时延等特性，光
作为信息互联的媒介相对电信号来说具有先天的优越性 [2-6] 。
20世纪70年代美国贝尔实验室的Miller提出了集成光学的概念
[7]
，其目标是在同一芯片中同时集成光器件和电器件。
随着早期互联网的发展，三、五族化合物半导体材料成
[8]
为光通信的首选，并推动了光通信的发展 。这段时期集成化
光通信芯片的主要材料是磷化铟（InP），InP是直接带隙半导
体，载流子迁移率高，可以直接制备高速半导体激光器、放大 骨干网和数据中心通信系统中，基于相干通信技术和波分复用
器和调制器等关键光电子器件。然而，铟是稀有材料，价格昂 技术的100Gbit/s光通信芯片和模块被大量应用。未来光通信
贵；InP晶圆尺寸小、产量低，依赖复杂的外延工艺。这都抬高 芯片和模块将向400Gbit/s、800Gbit/s甚至Tbit/s（级别速率
了基于InP材料的光通信芯片成本。当前InP光模块的成本约为1 演进，迫切需要开发更高集成度、更低成本的光通信芯片和模
=1
美元/（Gbit•s ），难以进一步降低。 块。
随着电信和互联网的进一步发展升级，5G、物联网、数据 除了长距离数据传输，硅基光电子还可以满足微电子芯片
中心等应用需求使得光通信系统信道容量在过去30年中增加了 内／间的短距离大容量数据传输。通过与微电子集成电路进行
5个数量级，如图1所示，光通信系统技术路线的升级依赖于技 单片集成，实现高速、低功耗的片上互连，突破目前的微电子
术的革新，光通信系统和调制格式越来越复杂。在当前主流的 处理器在数据互连上的瓶颈。

网络电信 二零二一年十一月 41