1.1.2 硅基光电子学的技术挑战
作为硅基光电子技术的基本功能单元，光子器件用于实现光的产生，以及光信号的调制、传输、检测和存储，主要分为无源器件和有源器件两大类。无源器件不需要外部供能，包括波导器件、耦合器件、波分复用/解复用器和微环谐振腔等；有源器件则需要外部供能，包括激光器、调制器、探测器等。Intel 公司曾指出，将上述光子器件“硅片化”并与纳米电子器件相集成，实现高性能、低成本的光电单片集成是硅基光电子技术发展的终极目标[10]。光电单片集成基于相同的材料工艺和平台，将光子与电子功能器件集成到同一基底上，目前的核心技术挑战是芯片上各单元的结构设计、材料工艺兼容以及耦合封装。该技术方案决定了光子-电子转换的有效性，最终决定了整个“芯片上系统”的能耗、速度、带宽密度和集成成本[11]。对于光电集成平台来说，与CMOS技术高兼容性的绝缘体上硅（Silicon On Insulator，SOI）平台具有高度的精度和成熟性，以及低成本、高产率和可复制的技术优势[12]。硅及其氧化物（SiO2）形成高折射率对比度、高限制波导，非常适合中高集成度和小型无源器件的透明波长范围，包括最重要的1310 nm和1550 nm通信波段。SOI 平台自身在制备波导器件、复用/解复用器、调制器和光电探测器等基础光子元件上具有天然的优势。2006年，Luxtera公司试图通过将光子器件集成到当时最先进的130 nm的SOI-CMOS工艺中，第一次实现光电单片集成的商用化工艺[13]，通过单片集成实现了低能耗、高带宽的发射和接收组件。2018年，由麻省理工学院、加州大学伯克利分校和波士顿大学领导的研究团队，将全功能的硅光平台与65 nm的CMOS工艺相结合，展示了单片电子-光子集成系统，如图1.2所示[7]。他们采用浅沟光隔离工艺，并利用低光传输损耗和高载流子迁移率的优化多晶硅膜，最终将当今三种主要的深尺寸CMOS工艺中的晶体管结构，与无源光子元件、自由载流子等离子体色散调制器和利用多晶硅晶界缺陷态吸收的光电探测器集成到同一单片上。
纵观发展轨迹和最新进展，硅基光电子技术实现了很多重要的基础功能，一些关键器件已被证明具有优异的性能，如低损耗硅波导[14]、高速硅基调制器[15]和大带宽硅基探测器[16]。此外，研究者们也已经在通信领域初步实现了超过30 Tbps/cm2高带宽密度的光互连系统[17]。然而，在硅基光电子器件中，通信波段的硅基光源是当前仍未完全解决的世界性难题。主要原因在于，硅材料本身属于间接带隙半导体材料，能带结构如图1.3所示[18]，其辐射复合的过程必须伴随着声子的发射或吸收，导带底的电子只能间接接跃迁到价带顶。同时，俄歇复合和自由载流子吸收两个较强的非辐射跃迁过程也会消耗能带中的载流子。因此，硅的发光效率非常低，仅有10-5，并不能作为高效的光源材料。
目前对于光电单片集成芯片来说，仍使用外部光源和混合集成光源两种方式。外部光源直接将成熟高效、稳定性好的光源从芯片外部输入，避免了直接在硅基上制备光源的难点，但外部光源与硅基芯片间需要进行片外耦合与对准，不仅会带来较大的耦合损耗，后期的封装成本也不容忽视，终究无法实现大规模集成；混合集成光源则是利用键合等工艺将光源集成到同一衬底上，其优势是灵活度高，但制备工艺较为复杂，且不同材料间的键合过程会引入额外的寄生效应，增加了后期封装的复杂性。因此，将光源集成到硅基光电子系统仍然没有很好解决，仍然是当前硅基光电子学研究的重中之重。硅基光源包括硅基光波导放大器和激光器。目前，硅基光电子学中光学器件的规模正在不断显著增加，以满足光通信和光网络中高信息传输率和大信息传输能力的需求。然而，光信号在各个器件中的衰减是不可避免的，例如，基于硅基光电子平台的硅基调制器（2～3 dB/mm）[19，20]、光电探测器（＜0.1 dB）[21]、其他无源器件（0.5 dB）[22]以及器件间的传输损耗（＞0.3 dB/cm[23]），使整个片上损耗很容易超过20 dB，这严重影响整个系统的传输性能。未来，如果像集成电路一样，在芯片上集成上千万个硅基光电子器件，对信号光衰减的补偿研究也就变得更加重要，是当前硅基光电子技术研究的重点之一。因此，硅基光波导放大器是大规模硅基光电子系统中不可或缺的器件，对于光信号的片上放大起着重要作用。
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图1.2 纳米级晶体管与光子器件的集成
图1.3 硅材料的能带结构
此外，硅基光波导放大器也是硅基激光器的基础，在光波导放大器中设计合适的谐振腔结构，形成高效的选模振荡，就可以产生激光模式的输出。高性能的硅基波导激光器在光互连与通信中都发挥着重要的作用。对光互连而言，其通常需求是一个约100 fJ/bit的系统能源目标，为光源分配大约10～20 fJ/bit[24]。这就需要使用低阈值、高功率的硅基激光器设计。对光通信而言，在保持相同的符号速率的情况下，需要使用更高级的调制格式以在单个波长上实现更快的传输速率[8]。具有低相位噪声和窄线宽的硅基激光器能很好地实现这种调制功能。