混合硅准备取代磷化铟 (InP) 光子芯片

混合硅将会成为复杂光子集成电路的首选平台吗？

2006年，美国加州大学（UCSB）和Intel公司的研究人员推出了世界上第一个电泵浦混合硅激光器。该器件利用了III-V族半导体的发光特性，并运用成熟的CMOS工艺在硅晶圆上制作激光器，从而为制造廉价的量产型硅制光学器件开启了大门。

【前沿科技】混合硅准备取代磷化铟(InP)光子芯片

7年的时间很快就过去了，许多人都认为：混合硅光子技术革命如今已经的的确确是万事俱备了。业界开发出了各种各样的混合器件，从激光源和光学放大器到高速调制器、波导和偏振组件，等等，不一而足，从而形成了光子集成电路(PIC)的构件。UCSB已开发出了锥形模转换器（taperedmodeconverter），以实现混合硅组件与无源绝缘体上硅衬底的集成，并采用量子阱混杂和芯片焊接以组合不同的带隙组件和具有不同III-V外延堆垛（epitaxialstacks）的器件。

在整个业界，重要的混合集成电路包括高集成度发送器、光相位阵列和光分组交换器。而头条新闻则涵盖了Intel的50Gbit/s硅链路、Luxtera公司的“millionth”芯片，以及imec在300mm硅晶圆上制作组件等。鉴于上述公司和其他的主要厂商(从IBM到UCSB的分拆公司Aurrion)都急于使硅芯片“大放异彩”，UCSB的光电子研究小组的MartijnHeck认为现在所取得的种种突破仅仅是开始。

“[实现这些组件之集成化的]希望一直存在，但我们如今提高了良率，同时特别关注性能和加工工艺，”他说。“很棒的一点是，我们现在能够把组件连接在一起并制作此类高性能、高功能性的光子集成电路。”这种激动人心的进展速度无法不让人印象深刻，但是InPPIC仍然具有非常多的优势。Infinera公司目前正在出售采用500Gbit/sPIC构建的光学网络平台，并于近期演示了一款10Tbit/sPIC。但是，这可能很快有所改变吗？

最近，Heck和同事们绘制了一幅图，其描绘了InP和混合硅芯片复杂性（以每颗芯片所包含的组件数目来衡量）的发展状况。毫无疑问，基于InP的单片式集成在过去的20年里其复杂性呈指数性增长，不过据研究人员说，混合硅PIC正在快速地步前者之后尘。Heck认为，三个主要的推动力对于技术的迅速变革起到了决定性的作用。

“首先，我们基于成熟的III-V半导体工艺；我们接受了现有的知识并将之应用在硅衬底上，”他说。“例如，我们现在可以制作70GHz甚至更快的调制器……这表明我们在组件方面所取得的进步是非常巨大的。”其次，按照Heck的说法，混合硅PIC至少在部分工艺流程中利用了成熟的CMOS制造基础架构。第三，他补充说：“业界的接受速度非常快。Intel、HP和其他的公司正就此展开相关的工作，而欧洲的研究活动也十分红火。人们认识到了此项技术所蕴含的巨大潜力。”

而且，尽管混合硅与InP之间的差距仍然很大—在一颗硅PIC上可集成几十个组件，而在同等尺寸的InPPIC上则能集成几百个组件—但即将来临的数据洪流（datadeluge）却有可能推动这一改变。未来的Tbit/s级数据通信和互连应用将需要大量的高集成度PIC。另外，凭借其300mm硅衬底以及可兼容CMOS的制造工艺，混合硅可提供远远优于InP型PIC的规模经济效益。Heck坚信未来的数据通信和电信应用将促进混合硅光子组件集成的发展，并且回顾了近期由UCSB的能效研究所（InstituteofEnergyEfficiency）牵头举办的一次圆桌活动，这次活动研究了未来的数据中心将如何应付数据需求。

“主要公司[比如Intel、Cisco、HP、AMD等]的所有热门事件（hot-shots）都在这里了，而在他们的工作计划清单上排在首位的都是光子集成，”他说。“就集成而言，我们都知道其步伐将增大。Intel和其他公司已经行动起来了……不错，这是有点投机和冒险，但常识告诉我们它将会发生。”