基础教程|一文读懂硅基光电子技术

什么是硅基光电子技术？

硅基光电子技术将硅中的光学和电子功能融合在一起，为数据传输和处理带来了革命性的变化。屹立于现代技术的最前沿，实现了高速、高带宽通信，这对生成式人工智能、云计算和数据驱动型经济非常重要。这项技术利用光以无可比拟的高速长距离传输数据，并将损耗降到最低，使其成为电信、数据中心、高性能计算和先进传感器系统中不可或缺的技术。

历史背景与演变

硅基光电子技术与微电子技术的发展轨迹如出一辙，但其重点是操纵光而不是电子。从纯电子集成芯片到光电集成芯片的转变标志着一个重大的转变，硅基光电子技术提供了极大的数据传输速度和效率。这一演变反映了更广泛的技术转变，即系统应结合电子技术在计算方面的优势和光子技术在通信方面的优势。

无晶圆厂硅基光电子技术模式

硅基光电子领域从微电子领域成功的无晶圆厂模式（即Fabless公司专注设计和销售硬件，同时外包制造）中汲取灵感，开始采用类似的方法。

这种模式大大降低了半导体行业的准入门槛，促进了创新并加快了新技术的开发周期。对于硅基光电子领域而言，无工厂化意味着设计人员可以专注于创新，而无需承担制造设施的开销，从而降低了成本，加快了从概念到适销产品的过渡。

图1：无晶圆厂以及专业晶圆代工厂的商业模式，来源；台积电， ISSCC2024

 图2：微电子领域中专业晶圆代工厂的推动促使无晶圆厂以及系统厂商产值比例大为增加，来源；台积电， ISSCC2024

 图3：硅基光电子技术平台的工艺堆栈，包括光栅耦合器、锗光电探测器、波导、调制器和 MOSFET，位于硅绝缘体芯片上。请注意，目前在硅基光电子技术领域开展的大多数工作都没有利用晶体管的单片集成，而是采用了 3d 或 2.5d 集成 [1]。

硅基光电子技术的基本原理

1.基本概念

硅基光电子技术利用硅材料的高折射率和与现有半导体制造技术的兼容性，将光的产生、调制和检测等光学功能集成到硅中。这项技术使光能够通过硅波导、调制器和光电探测器传播，从而促进现代计算和电信所必需的高速、高带宽通信。波导在芯片内限制和引导光，调制器控制光的强度和相位以进行数据编码，而光电探测器则将光转换回电信号，从而完成通信回路。

图4：CMOS/硅基光电子电路的概念图。光通过片上激光或垂直光纤耦合到光栅耦合器。光通过片上激光器或垂直光纤耦合到光栅耦合器。然后对光进行调制，由光电探测器进行转换、然后通过 CMOS 反相电路进行反相。如今，硅基光电子技术可支持由数百或数千个此类组件组成的系统 [1]

2.波导设计与光传播

光波导是硅基光电子技术的支柱，为光的传播提供路径，并将损耗降到最低。光波导的设计对于有效限制和操纵光、实现芯片上的高效数据传输非常重要。其核心原理是将光限制在由低折射率材料包围的高折射率区域（波导）内。这种设计支持各种光传播模式，其中单模波导对于精确控制光的路径和光电链路内的相互作用非常重要。提高波导性能的技术包括优化几何形状、材料成分以及与其他光子组件的接口，以确保最小的损耗和最大的功能。

图5：硅基光电子技术中的波导设计与光传播 [2]

建模和设计方法

1.光波导模式求解

波导模式求解对于光子器件的设计非常重要，因为它能准确预测光在波导内的传播方式。我们采用了多种数值方法，包括有限差分时域 (FDTD) 法、特征模式扩展 (EME) 和有限元法 (FEM)。这些技术有助于了解波导的模态特性，这对设计能有效引导、调制和探测光的器件非常重要。

2.波传播方法

光子结构中的光波传播建模是预测各种工作条件下器件行为的基础。为此，光束传播方法 (BPM) 被广泛应用于模拟波导中光场的演变。BPM 在设计复杂的光子器件和电路时效率很高，设计人员可以利用它优化模斑转换器、多模干涉器（MMI）、阵列波导光栅（AWG）和其他对器件性能非常重要的器件 [3] 。

3.光电和微波建模

将电子组件和光子组件集成到内聚系统中，需要采用先进的建模方法来了解这些组件之间的相互作用。能够同时处理电子和光子组件的链路级仿真工具是必不可少的。通过这种多学科方法，可以设计出高速、高性能的光电系统，应用范围从数据通信到传感。

4.硅基光电子中的热建模

温度变化会严重影响光子器件的性能，影响折射率、对准和器件的整体效率。因此，热建模对于预测和管理这些影响至关重要。策略包括使用具有不同热导率的材料、热隔离技术和主动温度控制，以确保在不同环境条件下稳定运行。

5.光电融合链路建模

光电融合链路设计涉及复杂的考虑因素，包括组件集成、光传播以及不同光子和电子组件之间的相互作用。光电融合链路仿真工具和软件（如PIC Studio工具链）在设计过程中非常重要。这些工具可以模拟光信号流、组件相互作用和整体电路性能，从而促进高效光电子系统的开发。

实际设计与实施

1.从概念到原型

在硅基光电子技术中，从概念想法到实际原型的过程包含几个关键步骤，首先是想法的产生，在这一过程中要对问题和潜在解决方案有清晰的认识。仿真在这一过程中起着至关重要的作用，它使设计人员能够在实际制造之前对其设计进行建模和完善。然后，原型设计将这些模拟设计转化为现实世界中的器件，以便进行测试和进一步完善。成功的案例研究往往突出了这一过程的迭代性，原型设计的反馈为设计和仿真的调整提供了信息，从而优化了产品。

2.软件工具和资源

对于进入硅基光电子设计领域的人来说，有各种各样的软件工具可供选择，既有商业软件，也有开源软件。这些工具具有光子电路仿真、布局和分析功能。建议初学者从提供全面教程和文档的用户友好型平台开始，如 Lumerical FDTD、Max-Optics FDTD以及逍遥科技的PIC Studio的全流程光电芯片、系统设计软件以及pMaxwell的电磁仿真套件。参与在线社群论坛和研讨会也能提供实用的见解和指导。

图6：PIC Studio软件对于光电芯片设计的支持

图7：pSim Plus 扩展PIC Studio的支持，从光电芯片到系统级以及光电融合

3.设计中的挑战和解决方案

硅基光电子设计面临一系列挑战，包括有效管理光传播、集成光子和电子组件以及优化器件的热稳定性。克服这些挑战的常用策略是利用先进的仿真工具对光学、电子和热行为进行精确建模。通过迭代仿真和原型设计进行设计优化，可确保器件不仅符合性能标准，还能进行大规模生产。在设计过程的早期与制造设施合作，可以减少可制造性问题，从而取得更成功的结果。

结论与未来方向

1.硅基光电子技术的未来

在光子技术和电子技术在单个芯片上的集成、提高数据容量的先进调制格式以及更紧凑、更高效的光电子组件的开发等新兴趋势的推动下，硅基光电子芯片将实现大幅增长。这些进步将对电信、计算、医疗保健和一系列传感器应用产生深远影响，提高下一代系统的速度、效率和能力。

2.参与硅基光电子设计

对于有兴趣在硅基光电子领域做出贡献的人来说，有大量的资源可供学习和探索。学术课程、在线教程和研讨会提供了基础知识和实践经验。参加会议和行业论坛也能为当前的研发工作提供宝贵的交流机会。我们鼓励创新者和设计者参与硅基光电子学界，为技术的发展做出贡献，并为全球日益增长的数据和通信需求寻找解决方案。