混合硅將會成為復雜光子集成電路的首選平臺嗎？

2006年，美國加州大學（UCSB）和Intel公司的研究人員推出了世界上第一個電泵浦混合硅激光器。該器件利用了III-V族半導體的發(fā)光特性，并運用成熟的CMOS工藝在硅晶圓上制作激光器，從而為制造廉價的量產(chǎn)型硅制光學器件開啟了大門。

【前沿科技】混合硅準備取代磷化銦(InP)光子芯片

7年的時間很快就過去了，許多人都認為：混合硅光子技術革命如今已經(jīng)的的確確是萬事俱備了。業(yè)界開發(fā)出了各種各樣的混合器件，從激光源和光學放大器到高速調(diào)制器、波導和偏振組件，等等，不一而足，從而形成了光子集成電路(PIC)的構件。UCSB已開發(fā)出了錐形模轉換器（taperedmodeconverter），以實現(xiàn)混合硅組件與無源絕緣體上硅襯底的集成，并采用量子阱混雜和芯片焊接以組合不同的帶隙組件和具有不同III-V外延堆垛（epitaxialstacks）的器件。

在整個業(yè)界，重要的混合集成電路包括高集成度發(fā)送器、光相位陣列和光分組交換器。而頭條新聞則涵蓋了Intel的50Gbit/s硅鏈路、Luxtera公司的“millionth”芯片，以及imec在300mm硅晶圓上制作組件等。鑒于上述公司和其他的主要廠商(從IBM到UCSB的分拆公司Aurrion)都急于使硅芯片“大放異彩”，UCSB的光電子研究小組的MartijnHeck認為現(xiàn)在所取得的種種突破僅僅是開始。

“[實現(xiàn)這些組件之集成化的]希望一直存在，但我們?nèi)缃裉岣吡肆悸?，同時特別關注性能和加工工藝，”他說?！昂馨舻囊稽c是，我們現(xiàn)在能夠把組件連接在一起并制作此類高性能、高功能性的光子集成電路?！边@種激動人心的進展速度無法不讓人印象深刻，但是InPPIC仍然具有非常多的優(yōu)勢。Infinera公司目前正在出售采用500Gbit/sPIC構建的光學網(wǎng)絡平臺，并于近期演示了一款10Tbit/sPIC。但是，這可能很快有所改變嗎？

最近，Heck和同事們繪制了一幅圖，其描繪了InP和混合硅芯片復雜性（以每顆芯片所包含的組件數(shù)目來衡量）的發(fā)展狀況。毫無疑問，基于InP的單片式集成在過去的20年里其復雜性呈指數(shù)性增長，不過據(jù)研究人員說，混合硅PIC正在快速地步前者之后塵。Heck認為，三個主要的推動力對于技術的迅速變革起到了決定性的作用。

“首先，我們基于成熟的III-V半導體工藝；我們接受了現(xiàn)有的知識并將之應用在硅襯底上，”他說?！袄纾覀儸F(xiàn)在可以制作70GHz甚至更快的調(diào)制器……這表明我們在組件方面所取得的進步是非常巨大的。”其次，按照Heck的說法，混合硅PIC至少在部分工藝流程中利用了成熟的CMOS制造基礎架構。第三，他補充說：“業(yè)界的接受速度非?？?。Intel、HP和其他的公司正就此展開相關的工作，而歐洲的研究活動也十分紅火。人們認識到了此項技術所蘊含的巨大潛力?！?BR>
而且，盡管混合硅與InP之間的差距仍然很大—在一顆硅PIC上可集成幾十個組件，而在同等尺寸的InPPIC上則能集成幾百個組件—但即將來臨的數(shù)據(jù)洪流（datadeluge）卻有可能推動這一改變。未來的Tbit/s級數(shù)據(jù)通信和互連應用將需要大量的高集成度PIC。另外，憑借其300mm硅襯底以及可兼容CMOS的制造工藝，混合硅可提供遠遠優(yōu)于InP型PIC的規(guī)模經(jīng)濟效益。Heck堅信未來的數(shù)據(jù)通信和電信應用將促進混合硅光子組件集成的發(fā)展，并且回顧了近期由UCSB的能效研究所（InstituteofEnergyEfficiency）牽頭舉辦的一次圓桌活動，這次活動研究了未來的數(shù)據(jù)中心將如何應付數(shù)據(jù)需求。

“主要公司[比如Intel、Cisco、HP、AMD等]的所有熱門事件（hot-shots）都在這里了，而在他們的工作計劃清單上排在首位的都是光子集成，”他說。“就集成而言，我們都知道其步伐將增大。Intel和其他公司已經(jīng)行動起來了……不錯，這是有點投機和冒險，但常識告訴我們它將會發(fā)生?！?BR>