引言

随着互联网在世界范围内的高速发展，对数据传输的带宽和能量的要求越来越高，现有的电-信息网体系结构已经不能适应不断提高的带宽和节能要求。

硅基光电器件具有高带宽、低功耗、可通过 CMOS工艺实现光电器件与光电器件的规模化集成等优点，是新一代信息通信领域亟待解决的关键问题。

2.5维/三维硅基光电集成技术能够显著地减少光学芯片与电气芯片的互连长度，缩小芯片的体积，进而减少寄生效应，提高集成密度，并减少芯片的能耗。

在2017至2022间，世界范围内的因特网访问量增加了四倍，年均增速为31%。随着网络通信量的快速增长，数据中心的体积越来越大，其能耗也越来越高。

全球范围内，到2030年，全球范围内的数据中心能耗有望为3 PWh，峰值时可达8 PWh，这是80倍于三峡水电站一年发电能力的水平。

高速发展的网络中，随着网络的高速发展，网络中的能量需求越来越大，网络中的网络资源也越来越少，网络中的网络资源也越来越少，网络中的网络资源也越来越少。

传统的以铜基绝缘体为基础的电子学开关技术，可以通过增大输/输界面数目、增大信号传输速率等方式来提升系统的总带宽。

然而，因为电阻和电学损耗的原因，当频率升高时，信道中的衰减和串扰就会变得更加显著，从而造成了传输效率的降低。因此，以电子为基础的数据传送系统已经不能满足不断增加的带宽和节能的要求。

利用光子来承载信息，通过光电器件来实现光电器件的一体化，是解决当前制约光电器件发展的重要因素之一。

硅基光电器件具有带宽宽、尺寸小、能耗低等优势，可通过已有的先进技术实现大规模、低成本制备。

此外，该系统还能与氮化硅、锗、磷化铟等其它材料进行异质结的集成。硅基光电子设备在近几十年来的快速发展中，获得了一系列重要的突破。

（锗）

目前，硅基电光调制器频谱宽度已突破110 GHz，锗硅（Ge-Si）探测频谱宽度已突破265 GHz。

美国于2006年成功研制出硅基半导体激光器件，即将三五族物质直接结合到硅基半导体上，然后经过特殊的处理，最终获得了硅基半导体激光器件，从而突破了硅基光电器件中的光源问题。

在此基础上，英特尔于2016年发布了世界上第一款采用硅基光电子学（Silicon Optical Devices，以下简称 Silicon Phone）的100 Gbit/s光学组件，目前其年出货量已逾100万片。

美国 Inphi公司在2017年发布了100 Gbit/s的高密度 WDM技术，其核心技术是高密度 WDM。另外，包括思科、博通、惠普在内的几大光纤通讯公司，也纷纷通过并购、自主研发等方式，加大了对硅光的研发力度。

最近几年，许多国家的大学、研究机构和公司都在不断地加强对硅光技术的研究和开发。2021年，在我国的信息光电技术创新中心，成功研发出了我国第一个1.6 T比特/s的硅光互联芯片。

随着大型企业纷纷进驻，硅基光电子学器件在光互联体系中的成功运用，其在光通讯领域的潜在应用价值得到了进一步的验证。

与此同时，硅基光电子学技术的日趋成熟，使其在激光雷达、光学计算等方面的研究得到了广泛的重视。

近年来，硅基光电子芯片得到了迅猛的发展，其集成度和集成度在快速提升，功率密度在下降，其应用已由传统的光通讯技术扩展到了激光雷达、生物化学传感器、高性能计算以及人工智能等诸多方面。

显示了在三个平台上集成的光学装置数目的演化，所述三个平台分别为：磷化铟，硅，异质集成磷化铟/硅，或异质集成砷化镓/硅。

21世纪初期，在硅基光学系统中，因其与二氧化硅之间的折射率差异较大，使其具有小型化的特点。

随着 CMOS技术的不断成熟，硅基光电芯片的集成程度也在不断提高，其单片 PIC上的光电元件数量已大大高于上世纪80年代以来出现的 InP系统。

近年来，磷化铟/Si （或 GaAs/Si）半导体半导体半导体芯片的芯片化、集成化程度不断提高，成为半导体半导体半导体半导体材料研究的热点。

（磷化铟）

随着光电子设备的日益增多，光电子学芯片的性能也随之提升，带来了新的问题。目前， PIC与 IC在同一二维平面上的集成方法主要是采用导线焊接的方法来连接并调控 PIC与 IC的光、电信号。

然而，Wire-bonding方式的引线较长，会占据较大的面积。此外，随着信号频率的提高，寄生效应也会变得更加显著，从而会造成芯片的集成密度、带宽密度和能效的显著降低。

2.5 D/3 D集成中，又称为“光-电-光-电”集成，可有效降低芯片内寄生效应，提高集成密度，降低能耗。在减少芯片体积，重量，成本的同时，也减少了能源消耗。

（硅基光电子集成技术的发展趋势）

目前，硅基光电器件的集成结构可划分为二维平面光电集成、2.5 D光电集成、3D光电集成以及单片光电集成4种。

将 EIC与 PIC横向地布置在 PCB上，利用Wire-bonding方法将 PIC与 EIC之间的互联互通，最终利用板上片封装技术完成二维集成。

2 D芯片的优点非常灵活。而二维集成电路的集成封装技术相对较为成熟，已经进入了商业化阶段。

然而，由于 EIC与 PIC间的电气连接距离过远，在传送高频率的情况下，会产生显著的能量损耗，从而影响到二维集成光学组件的整体性能。

另外，由于无线绑扎所占用的空间较大，使得整个光学模组的体积和功率消耗都很大。显示了二维整合硅基光电晶片。

采用8路高速度曾德尔电光调制阵列，多路复用与多路复用器构成，并将其置于相同的 Si基片上。

在此基础上，针对每个 MZM的极端点阻抗进行了最优设计，以降低 RF的反射率，使讯号的完整度最大化。

采用2.5 D/3 D集成工艺，在极短时间内完成对矩阵运算的要求，从而得到具有较高集成度和较低能耗的硅基光运算芯片。

此发送机为二维光电一体化结构，以光学晶片为中心，两侧为射频讯号输入部及热调节控制部。近年来，硅光学传感技术得到了长足的发展，并逐步走出了实验室，进入了商品化的阶段。

光学计算作为当前的一个热门领域，与人工智能、脑科学、大数据等领域有着密切的联系，与半导体技术、光电集成技术有着密切的联系，但其研究还处在初级的探索阶段。

为了推动光计算的发展，需要在半导体材料、微电子、光子、封装和算法等方面进行协同，加速软件和硬件的融合，使其成为可能，从而使其成为一种实际的技术手段，从而有效地解决目前所遇到的问题。

随着大数据、云计算、人工智能、图像识别等技术的飞速发展，迫切需要对大量数据进行高效、高质量的分析与分析。

但是，当半导体器件的特性尺度逐渐逼近摩尔定律的限制时，以普通微芯片为核心的计算能力将面临一个新的发展方向。

同时，基于光学粒子自身的高速传输、低功耗、可并行化等优势，基于光学粒子的光学芯片在未来的发展中极具前景。

在可穿戴式电子产品中，由于其自身的体积越来越小，其所需的能量也越来越少，因此，缩小硅光学元件的体积、减少其功率消耗是非常必要的，尤其是在可佩戴式电子产品中，由于其自身的体积越来越小，其能量消耗也越来越大。

因此，如何减少硅光学元件的体积、减少其功率消耗是非常必要的。本项目的顺利实施，将为基于硅材料的光学传感技术在可佩戴式电子产品中的广泛应用奠定基础。

2.5 D/3D的融合，不但能够减少光学与电子器件的连接距离，降低器件的寄生影响，提升器件的集成度与效率，而且能够降低器件的体积与重量，降低器件的总体能耗。

硅基光电器件在通讯、激光雷达、光学计算、生物化学传感器等领域具有重要的应用前景。通过对2.5维/三维硅基光电子集成工艺的深入研究，进一步推进其向高集成、高效率、低功耗、低成本等方面的发展，进而推进我国信息化进程。

参考资料

《硅基光电子学的最新进展》《ＣｉｓｃｏＡｎｎｕａｌＩｎｔｅｒｎｅｔＲｅｐｏｒ》《硅光互连芯片在 ＮＯＥＩＣ完成研制》