什么是硅光子学？

什么是硅光子学？

2024/04/17

硅光子学

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-迈向电子与光子学的融合-

用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因

什么是硅光子学？

硅光子学是利用硅半导体制造技术在硅晶圆上构建大规模光电路或光子电路的技术。该技术使得将高速、大容量、低功耗的光传输和低延迟的光AI计算引入计算系统成为可能。随着数据中心需求的快速增长，人们对利用光特性的低功耗、高速硅光子学的期望不断提高。

什么是硅光子学

　硅光子学是利用硅半导体制造技术在硅晶圆上构建大规模光电路或光子电路的技术。该技术利用光的特性，实现高速、大容量、低功耗的数据传输。

　随着社会活动的数字化，远程工作变得普遍，企业越来越多地将其供应链联网，信息处理对于自动驾驶和娱乐至关重要。支持这一点的数据中心和网络系统的需求不断增加，而随着数据量的增加，功耗也随之增加，因此需要降低功耗和成本。

　然而，数据中心和网络系统本身使用的电子电路的性能改进已达到极限，因此现在连接多个设备以适应更高的处理能力。数据设备之间、设备内部的运算电路之间以及运算电路与存储器之间的数据传输现在需要在处理能力和功耗方面超过当前电线的能力。

近年来，通过在数据设备之间以及设备内部的运算电路中引入使用能够高速、大容量数据传输的光子电路的传输处理，人们努力提高处理能力并降低功耗。然而，传统的光子电路具有由不同材料制成的单独组件，因此难以小型化并且消耗大量功率，导致成本高昂。

硅光子技术可以解决这个问题。利用基于现有硅半导体制造技术的技术，可以将由各种组件组成的光子电路以紧凑且低成本的方式集成在硅晶圆上。

以往的光电路中，光配线、即光波导路使用石英玻璃，但通过使用折射率更高的硅，可以实现电路的小型化。此外，硅晶圆可用于集成由不同材料制成的器件。此外，通过使用已经广泛使用的高性能半导体制造技术可以降低制造成本。

　由于它基于现有的半导体制造技术，因此使用电子的电子学和使用光的光子学的融合已成为现实。

迈向硅光子学的实际应用

AIST 的举措

　我们致力于建立标准技术并进行先进研发，以普及硅光子，并构建产业扩展的生态系统。

　AIST拥有一条用于研究的硅半导体生产线，可处理300毫米晶圆，相当于商业生产线。为了建立标准的硅光子技术，我们正在利用这条生产线开发将成为电路基本元件的光子元件。

　为了进一步提高硅光子的功能，我们还在开发集成不同材料的技术。我们通过开发集成磷化铟 (InP) 光源等不同材料元件的专有技术，以及通过在硅波导上集成氮化硅 (SiN) 波导的高效光纤耦合，实现了世界最高的效率。我们还开发了世界上最大的信息和通信应用光开关，并成功在一秒钟内传输125亿吉比特的数据，相当于60万张蓝光光盘。 （AIST杂志利用光开关实现每秒125亿Gbits的数据传输、即使在高图像质量下也几乎没有延迟！什么是将彻底改变数据传输的“光开关”？）

作为一个新的研究领域，我们也在开发利用光而不是电子进行计算的光集成电路。使用硅光集成电路，现在可以以超低延迟和低功耗执行人工智能中使用的神经网络计算。 （AIST杂志世界上第一个成功的仅使用硅光子集成电路的神经网络计算）

　将这些技术与产业发展联系起来的另一个举措是构建硅光子生态系统。对于产业化来说，需要一个跨越各个产业层面的生态系统，包括电路制造、设计、实施和检验等技术的开发和提供，与应用技术领域的合作，以及商业代工系统的构建。我们已经成立了一个由 17 家公司组成的联盟（截至 2024 年 1 月），包括信息和通信设备制造商、半导体制造和测试设备制造商、大学和研究机构。除了提供公共原型设计服务以及为电路设计和实施提供技术支持外，我们还正在推动创建相关公司生态系统的活动。如果您有兴趣，请联系我们。 (硅光子学联盟网站)

硅光子学研究的现状和未来

　信息和通信领域的实际应用已经取得进展。最大的应用是数据中心。它用于连接服务器，与传统技术相比，其功耗显着降低。随着全球范围内对大容量、超高速数据通信需求的增加，硅光子市场预计将扩大。预计未来几年将从数十亿美元增长到100亿美元。未来，硅光子不仅将部署在信息和通信领域，还将部署在医疗/生物应用和移动应用等其他领域。

　硅光子学的研究和开发始于20世纪90年代末，通过器件/电路设计方法和应用技术的发展以及半导体制造技术的创新，硅光子学已经达到了作为光子器件的实用水平。为了使其在未来更加流行，我们希望创建一个易于使用的制造和开发环境，并推进设计、安装和检测技术的实际应用，以处理更大规模的电路和更多样化的应用。我们希望通过进一步挖掘硅光子技术的潜力，促进其与电子学的融合，创造新的应用。