Page 25 - 网络电信2021年11月刊下

度计，可用于测量人体乳酸、体温、血压、血氧和心率等数 1.1片上光源
据。预计将在智能手表上搭载该器件，开启了硅基光电子技术 尽管学术界采用多种方法试图实现可以单片集成的硅基
在消费电子方面的产业化进程，预计在2026年，硅基光电子在 光源，但目前硅基光电子技术产业界大多依然采用混合集成方
消费电子领域的市场规模将占据硅基光电子产业总市场规模的 案。激光器芯片采用InP材料，并与硅基光电子芯片在各自平台
43%。 上独立制造，之后再进行贴装。硅基片上光源一直没有得到真
截至目前，硅基光电子技术最成熟的应用场景仍然是光通 正的解决,成为制约硅基光电子学发展的瓶颈之一，硅的间接带
信行业。2020年，用于光通信的硅基光电子收/发器市场规模占 隙特征给高效硅基光源的实现带来很大困难，实用化的片上硅
硅基光电子技术产业总市场的98.9%。产品主要应用于数据中心 基激光器是学术界和产业界长期奋斗的目标。
光互联、长距离骨干网光互联和5G前传等。其中数据中心是硅 1.2调制器
基光电子模块最主要应用场景。数据中心通信连接数量大、节 应用在光通信领域的硅基光电子芯片需要小尺寸、低功
点间距离短、环境温度相对稳定、对光模块的成本敏感，硅基 耗、大带宽的硅基光电子调制器。由于对温度不敏感，通信用
光电子在数据中心应用优势明显。因此用于数据中心光通信的 硅基光电子芯片中一般以马赫－曾德尔调制器（MZM）为首选，
硅基光电子收/发器占硅基光电子在光通信市场总规模的97%。 如图4所示。现阶段MZM的带宽获得了较大提升，已经实现了带
到2026年，预计硅基光电子技术在光通信领域的主要应用仍将 宽高达55GHz的宽带MZM，但在尺寸和功耗上仍需进一步发展。
集中于数据中心光通信，并以26%的年复合增长率实现4.5亿美 MZM是硅基光电子通信芯片上尺寸较大的单元器件，其尺寸
元左右的市场规模。 一般在毫米级别。大的单元器件尺寸降低了晶圆产出也增大了
除了数据中心的应用外，长距离骨干网市场总体容量有 微波信号的损耗。开发小尺寸的硅基电光调制器不仅能够降低
限；而5G应用场景对光模块的温度稳定性要求较高。同时现阶 成本，还能提高调制器性能。
段硅基光电子芯片封装的良品率较低、封装成本高，硅基光电 由于硅材料没有一阶电光效应，硅基电光调制器一般基于
子模块总体成本相比于传统InP材料光模块没有显著优势。市场 等离子体色散效应实现电光调制。等离子色散效应调制效率较
出于对成本和稳定性的考虑，在5G应用下硅基光电子模块的占 低，电光调制时所需的功耗较大；同时，高速硅基MZM为了获得
比较少。 更高的带宽，通常采用耗尽式行波电极结构进行调制。耗尽式
进一步推动硅基光电子技术的产业化进展面临着一系列挑 调制方式所需的直流偏置电压将会与行波电极终端的匹配电阻
战。 形成直流回路，这一直流功耗导致高速硅基MZM的功耗进一步升
高。为了降低高速调制器的损耗，研究人员采取了很多措施，
三、挑战 比如采用特殊掺杂区结构的调制器、采用分段集总式电极替代
传统光通信模块多使用InP材料，为了降低产品升级迭代
的成本，要求硅基光电子的产品需要具有对InP光模块的兼容
能力。但由于硅材料本身的特征，例如硅基光电子芯片不能发
光、没有高效率的一阶电光效应、硅波导的有效折射率对温度 图 4 宽带的行波电极硅基马赫－曾德尔调制器
敏感等，这些都限制了硅基光电子模块的应用场景，为了进一
步扩大硅基光电子技术的应用范围和市场规模，必须直面这些
性能上的挑战。
硅基光电子技术具有集成度高的优势。同时，较高集成度
对封装技术也提出了更高的要求，硅基光电子芯片的封装对精
度要求高、技术难度大，现阶段硅基光电子芯片的封装成本甚
至占到了硅基光电子模块总成本的10%左右。开发具有低成本、
高可靠性的硅基光电子芯片封装技术是硅基光电子大规模产业
化面临的挑战之一。 图 5 温度不敏感片上波分复用器件
在硅基光电子芯片的研发制造上，目前的硅基光电子芯片
设计多采用人工布局布线，从原理图到版图的准确性依赖于设
计者的设计能力，容易出现错误。相对电引线而言，特殊的光
波导布线要求会耗费大量时间。随着硅基光电子技术的发展，
片上系统越来越复杂，特别是硅基光电子芯片和互补金属氧化
物半导体（CMOS）芯片集成在同一芯片的单片集成应用场景
下，人工进行布局布线和版图－原理图（LVS）验证越来越不具
备可行性，硅基光电子芯片对自动化软件的需求越来越迫切。
综上所述，硅基光电子发展的主要挑战集中在器件的性
能、封装和自动化设计等问题上。
1.部分器件技术难题

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