新型平臺將光子器件帶入最先進的塊狀硅微電子芯片中

近日，美國波士頓大學、麻省理工學院、加州大學伯克利分校、科羅拉多大學波爾得分?？蒲腥藛T組成的團隊開發一種新的制造方案，在塊狀硅襯底上，讓光子器件與電子器件集成到一起。

背景

目前，微電子芯片的電信號傳輸方面存在瓶頸，通過電線傳輸數據的傳統方法，傳輸速度和距離都受到限制，而且能耗和發熱都很大。時下，電子器件正不斷趨向更高的性能與更低的功耗，傳統方法的瓶頸正日益凸顯。

為了突破這一瓶頸，光學數據傳輸有望成為僅有的幾個候選方案之一。光纖的數據傳輸速率是電線的近千倍，能耗也相對較低，還可以發送更高頻率的數據。在光纖中，你可以使用多種不同顏色的光線，每種顏色的光線都具有一個數據通道。此外，相比于銅線，光纖也可以更加緊密地包裝在一起，且不會存在電信頻道之間的串話干擾。

可是，在單個硅芯片上集成電子器件和光子器件，受到了現有半導體制造工藝的制約。具體來說，就是硅電子器件與光子器件使用的材料平臺無法相互兼容，大部分的電子器件采用塊狀硅襯底，而光子器件則采用絕緣襯底上的硅（silicon-on-insulator）平臺。

創新

近日，美國波士頓大學、麻省理工學院、加州大學伯克利分校、科羅拉多大學波爾得分?？蒲腥藛T組成的團隊開發一種新的制造方案，在塊狀硅襯底上，讓光子器件與電子器件集成到一起。4月19日，相關論文發表于《自然》雜志。

（圖片來源：Amir Atabaki）

研究成果始于美國國防部高級研究計劃局贊助的一個持續幾年的項目，該項目由加州大學伯克利分校副教授Vladimir Stojanovic、麻省理工學院教授Rajeev Ram、波士頓大學助理教授Milos Popovic 領導。他們也和位于奧爾巴尼的紐約州立大學納米科學與工程學院（CNSE）的半導體制造研究團隊展開了合作。

技術

2015年，首個旨在克服芯片電信號傳輸瓶頸的主要成果誕生。該研究小組在《自然》雜志上發表的另外一篇論文中對成果進行了闡述。但是，這一方案只能應用于少量最先進的微電子芯片中，無法適用于目前最流行的采用塊狀硅襯底的芯片。

（圖片來源：CNSE Albany）

（圖片來源：Nature）

價值

這一新型平臺將光子器件帶入最先進的塊狀硅微電子芯片中，帶來更快更節能的通信，并將為光電子系統芯片的量產鋪平道路，極大地改善計算設備與移動設備。

除傳統數據通信之外，其應用還包括圖像和數據識別任務中的深度學習神經網絡的訓練，無人駕駛汽車中采用的低成本紅外激光雷達傳感器、智能手機人臉識別技術以及增強現實技術。

此外，光學使能的芯片將帶來新型的數據安全和硬件鑒權、應用于第五代（5G）無線通信網絡的更加強大的芯片、量子信息處理器件和量子計算器件。