楊德仁院士:“后摩爾時(shí)代”,硅基光電子成重要技術(shù)方向

作者:舒文瓊 責任編輯:包建羽 2024.05.17 23:16 來(lái)源:通信世界全媒體

通信世界網(wǎng)消息(CWW)5月16—17日,“2024世界電信和信息社會(huì )日大會(huì )”在浙江寧波召開(kāi)。本次大會(huì )以“數字創(chuàng )新賦能新型工業(yè)化”為主題,探討工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、光通信技術(shù)等在推進(jìn)新型工業(yè)化、發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力等方面發(fā)揮的重要作用。

在開(kāi)幕式上,中國科學(xué)院院士楊德仁發(fā)表了題為《硅基光電子發(fā)光材料與器件》的主旨報告。他指出,隨著(zhù)“后摩爾時(shí)代”的到來(lái),硅基光電子應運而生,成為信息技術(shù)發(fā)展的重要方向之一,吸引國內外產(chǎn)業(yè)界競相布局。然而,硅基光電子仍面臨著(zhù)技術(shù)瓶頸,需要產(chǎn)業(yè)界持續創(chuàng )新、實(shí)現突破。

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硅基光電子應運而生

作為信息通信行業(yè)的基礎,近年來(lái)集成電路技術(shù)突飛猛進(jìn)、線(xiàn)寬不斷降低。然而受物理尺寸的限制,當線(xiàn)寬向3nm、1nm持續下探時(shí),電互連信號延遲、帶寬受限、功耗密度上升等問(wèn)題開(kāi)始出現,產(chǎn)業(yè)步入了“后摩爾時(shí)代”。

在“后摩爾時(shí)代”如何發(fā)展集成電路?通常認為方向有二:一是more and more Moore,二是more than Moore。前者不斷降低線(xiàn)寬;后者走多元化、集成化道路,將集成電路與光電子集成,即硅基光電子(硅基集成)。因為在帶寬、功耗、電磁干擾、體積重量、接口密度等方面優(yōu)勢明顯,所以硅基光電子在通信、數據中心、自動(dòng)駕駛、傳感、高性能計算、人工智能等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

目前,美國、日本、德國等已經(jīng)投入巨資進(jìn)行硅基光電子技術(shù)研究,其中美國成立了光子集成創(chuàng )新研究院,英特爾也投入了巨資。從全球來(lái)看,硅基光電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初步形成,產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)包括國內的華為、騰訊、百度、阿里巴巴等公司。從產(chǎn)業(yè)進(jìn)展來(lái)看,硅基光電子已經(jīng)大規模應用于數據中心內模塊、ZR模塊以及長(cháng)距離相干模塊,英特爾的100G硅光模塊出貨量達到500萬(wàn)只,業(yè)界預計到2026年硅光光模塊在光模塊市場(chǎng)將占據半壁以上江山。

技術(shù)瓶頸待突破

硅基光電子產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展、爆發(fā)在即。然而楊德仁院士也適時(shí)提醒,作為一項新技術(shù),硅基光電子仍面臨著(zhù)技術(shù)方面的瓶頸。

“硅基光電子包括光源、波導、調制、探測、封裝、集成等一系列程序,其中硅基光源是一大難點(diǎn),到現在問(wèn)題才解決了一半?!睏畹氯试菏拷忉?,硅基光電子一方面需要在硅基材料上發(fā)出激光,另一方面需要在工藝上與集成電路兼容,然而硅是間接帶隙半導體,發(fā)光效率非常低,而這已經(jīng)成為了一個(gè)世界性難題。

為破解難題,產(chǎn)業(yè)界上下求索、多方努力,嘗試了硅晶體中位錯、多孔硅光、硅納米(量子)點(diǎn)、硅基稀土、Raman激光器、混合激光器、連續波硅基InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器等多種技術(shù),不過(guò)依然沒(méi)有破解難題,仍處于多途徑探索階段。

其中值得一提的是,英特爾與UCSB合作,用混合激光器做出硅上激光器,成為目前硅光片間光互連的主要方案,已經(jīng)步入商業(yè)應用階段。不過(guò)該方案存在尺寸大、無(wú)源波導損耗大、對準難等問(wèn)題,只能應用在片間光互連,不能在片上實(shí)現光互連。

展望未來(lái),楊德仁院士表示,硅基光電子是信息技術(shù)的重要方向之一,硅基片間互連光源可以通過(guò)鍵合技術(shù)實(shí)現產(chǎn)業(yè)化,但是硅芯片上光互連依然是瓶頸,目前硅基量子點(diǎn)、硅基Ge/GeSn、硅基稀土發(fā)光等是重要途徑,但還沒(méi)有取得最終的成功,依然有待突破?!案锩形闯晒?,同志仍需努力?!睏畹氯屎粲?。他認為,經(jīng)過(guò)業(yè)界同仁的共同努力,硅基光電子的光源問(wèn)題最終能夠真正得以解決的。

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