新型平台将光子器件带入最先进的块状硅微电子芯片中

近日，美国波士顿大学、麻省理工学院、加州大学伯克利分校、科罗拉多大学波尔得分校科研人员组成的团队开发一种新的制造方案，在块状硅衬底上，让光子器件与电子器件集成到一起。

背景

目前，微电子芯片的电信号传输方面存在瓶颈，通过电线传输数据的传统方法，传输速度和距离都受到限制，而且能耗和发热都很大。时下，电子器件正不断趋向更高的性能与更低的功耗，传统方法的瓶颈正日益凸显。

为了突破这一瓶颈，光学数据传输有望成为仅有的几个候选方案之一。光纤的数据传输速率是电线的近千倍，能耗也相对较低，还可以发送更高频率的数据。在光纤中，你可以使用多种不同颜色的光线，每种颜色的光线都具有一个数据通道。此外，相比于铜线，光纤也可以更加紧密地包装在一起，且不会存在电信频道之间的串话干扰。

可是，在单个硅芯片上集成电子器件和光子器件，受到了现有半导体制造工艺的制约。具体来说，就是硅电子器件与光子器件使用的材料平台无法相互兼容，大部分的电子器件采用块状硅衬底，而光子器件则采用绝缘衬底上的硅（silicon-on-insulator）平台。

创新

近日，美国波士顿大学、麻省理工学院、加州大学伯克利分校、科罗拉多大学波尔得分校科研人员组成的团队开发一种新的制造方案，在块状硅衬底上，让光子器件与电子器件集成到一起。4月19日，相关论文发表于《自然》杂志。

（图片来源：Amir Atabaki）

研究成果始于美国国防部高级研究计划局赞助的一个持续几年的项目，该项目由加州大学伯克利分校副教授Vladimir Stojanovic、麻省理工学院教授Rajeev Ram、波士顿大学助理教授Milos Popovic 领导。他们也和位于奥尔巴尼的纽约州立大学纳米科学与工程学院（CNSE）的半导体制造研究团队展开了合作。

技术

2015年，首个旨在克服芯片电信号传输瓶颈的主要成果诞生。该研究小组在《自然》杂志上发表的另外一篇论文中对成果进行了阐述。但是，这一方案只能应用于少量最先进的微电子芯片中，无法适用于目前最流行的采用块状硅衬底的芯片。

（图片来源：CNSE Albany）

（图片来源：Nature）

价值

这一新型平台将光子器件带入最先进的块状硅微电子芯片中，带来更快更节能的通信，并将为光电子系统芯片的量产铺平道路，极大地改善计算设备与移动设备。

除传统数据通信之外，其应用还包括图像和数据识别任务中的深度学习神经网络的训练，无人驾驶汽车中采用的低成本红外激光雷达传感器、智能手机人脸识别技术以及增强现实技术。

此外，光学使能的芯片将带来新型的数据安全和硬件鉴权、应用于第五代（5G）无线通信网络的更加强大的芯片、量子信息处理器件和量子计算器件。