浅谈Silicon Photonics芯片

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浅谈Silicon Photonics芯片
Silicon Photonics芯片吸引着公司和研究人员的主要原因是成本低,功耗低,其中Si是导光的良好材料。

随着CMOS晶体管尺寸逐渐减小,光学器件却无法继续缩减,成了研究人员极其关注的一个研究方向。

其实,从上个世纪八九十年代开始,谈摩尔定律色变的各位先行者就开始探索半导体芯片的继任者,企图在硅芯片发展到物理极限时取而代之。

笔者还记得当初上学时,老师告诉我们CMOS工艺发展到十几纳米左右就会到物理极限。

结果现在7nm的芯片都造出来了,代替CMOS工艺的成熟技术还没有大规模应用。

这里,我们就介绍一下一种传说中在More than Moore中的技术。

Silicon Photonics。

早在1969年,贝尔实验室的ler首次提出了集成光学的概念。

随着微电子集成电路的发展,1972年,S.Somekh和A.Yarive提出了在同一半导体衬底上集成光学器件和电器件的设想。

上世纪90年代,随着硅基集成电路尺寸逐渐减小,其特征尺寸已进入光通讯波长范围。

另外,Si和SiO2材料之间的折射率差别较大,(Si大约3.45,SiO2大约1.44),容易发生全反射,这也有利于减小光集成器件尺寸,提高光芯片的密度。

然而,从另一方面来说,在CMOS晶体管尺寸已经缩小到10nm左右的今天,由于光学衍射效应,集成光学器件的尺寸无法继续缩小,这也在一方面限制了硅光芯片的发展。

因此,目前所说的Photonic Integrated Circuits (PIC),都是指在片上集成光连接和光电转换器件,再转换成电学信号用CMOS集成电路进行处理。

而不再是如最初提出时一般,用光学器件来完全取代晶体管。

正如上图所示,现在我们也只是发展到光纤到户,许多data center会用到光纤的板级互连。

但最下面的芯片级通讯,现在各大公司和科研院所已经有了demo的chip,100G的模块已经基本成熟,但距离市场级的全面应用还尚有很大的距离。

(PS:上面那篇文章发表于2002年,现在15年过去了,距离该作者的预言尚未完成一半,不知道该是庆幸还是悲伤。

)其实,说了这么多,Silicon Photonics能够让许多公司和研究人员对此趋之若鹜的主要原。