芯片前沿技术瞭望5：光芯片技术

光芯片也称为光子芯片。光子芯片就是光子集成线路（Photonic Integrated Circuit，PIC)，也可称为集成光路。与之相对应，传统芯片可称为电子芯片，电子芯片就是电子集成线路（Electronic Integrated Circuit，EIC），也可称为集成电路。光芯片是基于硅基集成技术实现了光信号传输、光信号处理、光信号-电信号转换、电信号-光信号转换、数据运算和信息处理等功能的新型光电器件。因此，光芯片也称为硅光芯片、硅光子芯片。

简单说，光芯片就是与光信号有关的芯片。光芯片可以按照三种情况分类，第一种按照芯片涉及的光信号种类来分类，例如处理模拟光信号的光芯片有光电传感器、图像传感器等。处理数字光信号的光芯片有光纤接口芯片、光电耦合芯片等；第二种按照芯片上有没有光波导（Optical Wave Guide，OWG）光路来分类；第三种按照芯片上有没有电子电路来分类，例如光电芯片、无源的纯光路芯片等。

实际上，光芯片技术是从半导体的光电效应、光电传感器、电致发光器件、图像传感器、光芯片逐步发展起来的，特别是光芯片技术在光通信应用的大潮中快速发展壮大。图1是光通信中光纤接口由组装模块到光芯片的变化升级的示意图，左图是组装模块，右图是把组装模块中的光路、光元件、电子电路都集成在一块基板上形成了一个完整的光芯片。

图1 光通信光纤接口变化升级示意图

今天，科学家已尝试在硅基片上加工光信号通行的光路，制造各种光学元件，形成复杂的集成光路（PIC），实现对光信号的传输和处理功能。集成光路（PIC）和集成电路（EIC）也可以封装在一起，就形成了所谓的光电共封装（Co-Packaged Optics，CPO）芯片，或者直接集成在一个芯片上，形成完整的光芯片。光芯片具有更高速度、更低能耗、更高可靠性等优点。在新一代通信、计算机网络、云计算、大数据、人工智能的大算力时代，光芯片的应用需求巨增。因此，光芯片成为后摩尔时代芯片的前沿技术之一。

图2是科学家设想的光芯片中光学元件的示意图，其中包括光电二极管、激光器光源、耦合器、光调制器、光晶体、光环形振荡器、光波导等。这些光学元件在硅基片上通过光波导连接成一个复杂的光路，并与硅基片上的电子电路连接成一个系统，就能构成一个完整的光芯片。

图2 光芯片中光学元件的示意图

在光芯片中，光学部分应能执行各种光学操作，例如聚焦、拆分、隔离、极化、耦合、调制以及光检测等，电学部分可以完成数据信息的存储、计算处理、输入输出等工作，光学部分和电学部分之间可由光信号-电信号转换器、电信号-光信号转换器来相互连接。

硅基光芯片（简称：硅光芯片）大约出现于1985年前后。1992年在较厚的绝缘体上硅（Silicon On Insulator，SOI）工艺上实现了低损耗光波导，接着业界推出了一些光器件和光芯片。后来，在小规模集成（Small Scale Integration，SSI）光芯片时期，一个光芯片上可以集成10个左右的光学元件，其中包括光调制器、光探测器，以及激光光源和硅基光芯片的异质集成等。在中规模集成（Middle Scale Integration，MSI）光芯片时期，一个光芯片上可以集成10～500个光学元件，包括单波长和多波长的马赫-曾德尔光调制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM）等。

图3是当前和未来光芯片的结构示意图，这是一个激光雷达的光芯片。图a是用于与外界进行通信的波分复用收发器（Wavelength Division Multiplexing，WMD）的光路图，图b是电子电路部分的系统框图，图c是激光雷达的光路图。

图3 当前和未来光芯片的结构示意图

未来，在大规模集成（Large Scale Integration ，LSI）光芯片时代，同一块光芯片上可以集成500～10000光学元件，这些光芯片将在激光雷达、图像投影、光子开关、光子计算、可编程光路、多路复用生物传感器等方面大显身手。我们相信，通过科学家在光芯片领域的不断探索和研究，实现光信号传输、光数据存储、光数据计算的全光芯片也许不只是一个梦想。

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