光电子芯片发展历程

“光电子芯片”的发展历程。

1917年爱因斯坦发表论文《关于辐射的量子理论》提出了受激辐射的概念，并且预言了在满足粒子数反转的情况下可以实现光场激射；大约10年后，英国著名物理学家、剑桥大学教授保罗·狄拉克首次实验证明受激辐射的存在。

美国工程师西奥多·梅曼(Theodore Maiman)在自己研制的红宝石激光器上成功获得了波长约为694纳米的激光。激光的亮度可比普通光源高20个量级，不仅包括可见光，还包括红外可见光紫外直至X射线波段内的一系列相干辐射光源。

在世界上第一个红宝石激光器被发明两年后，1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器，这是世界上第一个半导体激光器。此时的激光器由于是单异质结构只能实现脉冲工作，并且电光效率非常低。

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美国贝尔实验室首次提出了集成光学与硅光子技术的概念，由于InP波导的高损耗和工艺落后难以实现大规模集成，得益于互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的发展，可以利用成熟的工艺制造几百纳米宽的波导以超低的损耗传输光并进行光学处理。由于当前微电子摩尔定律接近瓶颈，作为新兴的技术，硅光集成拥有更大的带宽，有望替代电子技术成为摩尔定律的延续。

得益于大自然的青睐，高折射率的材料拥有更窄的带隙，人们研制出了双异质结半导体激光器，可以实现很好的光场限制作用和几乎完全的载流子限制作用，此后激光器可以在室温连续激射。

随着材料生长技术的发展成熟，利用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）生长量子阱结构可以实现阶梯状能带结构，极大提高了量子效率。从此激光器告别了体材料进入量子阱材料时代。

利用布拉格反射光栅制作分布反馈激光器，实现了激光器单模激射，和非常大的边模抑制比，为光通信的发展奠定了光源的基础。

得益于材料生长技术的进步，利用布拉格光栅构成反射镜，可以实现低成本的垂直腔面发射激光器，大大降低封装测试成本。但是由于InP材料折射率差较小限制很少，目前只在GaAs材料体系实现850nm波段，未来将朝着1550nm波段发展。

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为了混合出照明用的白光，需要蓝光波段的led发光材料，但是自然界的材料缺少这一波段，日本科学家中村修二、天野浩与赤崎勇于80年代提出使用GaN掺杂制造缺陷形成电子陷阱发光，并于约10年之后实现了量产。

随着硅光平台的发展，利用Si3N4微环外腔芯片将混合集成激光器的线宽压窄以满足激光雷达四维测距和连续线性调频的需求，新一代相干通信光源成为了现在的研究的热点。该类芯片有望在自动驾驶和大型数据中心光互联中发挥重要的作用。

由于电子的带宽较低，目前已经不足以满足CPU和GPU的数据交换需求，英特尔公司利用硅光互联实现了光学互联、电学计算的新一代CPU，由于硅光技术尚未成熟，并未形成产品，但仍证实了该方案有望解决电子带宽的问题。

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2013年清华大学本科毕业的孙杰博士于MIT在Nature杂志发表了名为“Large-Scale Nanophotonic Phased Array”的文章，提出了相控阵激光雷达，引起了极大的轰动。该技术有望将目前成本数万美元的机械式激光雷达的成本降低到几百美元，并且避免了透镜等机械构件的使用，理论上具备极强的稳定性。孙博士后续也回国创立了摩尔芯光致力于激光雷达芯片的研发，目前取得了很大的进展。

2017年沈亦辰博士于MIT在Nature杂志发表了“Deep Learning with Coherent Nanophotonic Circuits”，提出了使用马赫曾德干涉仪组成的光学芯片代替GPU进行神经网络计算的方案，引起了巨大的轰动。利用光计算理论上可以将主频提升到100Ghz，并且还可以使用波分复用技术增加复用通道，并且只需要100nm的制程，最重要的是功耗理论上可以达到电子芯片的十万分之一。沈博士目前也已经回国创立了曦智科技，并且已经成生产出了第一代产品，其某些计算性能达到了RTX3080的百倍级别。

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相变材料具有极强的光学调制作用，可以用超小的体积实现光学乘法运算，根据最新实验结果，利用相变材料可以实现和7nm工艺下GPU相同的计算单元密度，通过波分复用可以达到相同面积下1000倍的算力提升，待工艺成熟后也是延续摩尔定律的一种可能技术路线。

由于硅是间接带隙的材料无法直接发光，为了实现硅基发光降低封装成本，人们进行了非常多的探索，目前并没有很好地解决，这已经是公认的诺奖级别的世界难题。目前主要的技术路线有硅基直接发光，三五族材料异质集成和三五族材料混合集成。

第一种方案目前发光功率非常地低，远远达不到实用的级别。

第二种方案目前分为键合和材料生长两种手段。键合由加州大学圣巴巴拉分校的John Bowers提出，后被英特尔购买专利，该方案需要键合两者的接触平面达到皮米级别的平滑，利用范德华力贴合，工艺难度非常地大，目前只有英特尔实现了10mW出光功率。材料生长目前也是John Bowers世界领先，2022年实现了128mW的直接生长的硅上量子点激光器，该方法有量产可能，有望解决硅基发光问题。

第三种方案是将激光器和硅光芯片对准耦合可以实现较大功率，但是耦合封装的成本很高，损耗较大，制约了其量产应用。

总的来说硅基发光是当前硅光最主要的障碍，待光源问题解决，硅光则可以真正地实现片上全集成。

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