【材制 | 视角】硅光与硅光芯片

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2022-12-02

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1.硅光技术是什么

        硅光技术就是以光子和电子为信息载体的硅基光电子大规模集成技术，是大数据、人工智能、未来移动通信等新兴产业的基础性支撑技术，可广泛应用于大数据中心、5G、物联网等产业，能够大大提高集成芯片的性能。

2.那什么是硅光芯片呢

        硅光芯片就是通过标准半导体工艺将硅光材料和器件集成在一起的集成光路，主要由调制器、探测器、无源波导器件等组成，它可以将多种光器件集成在同一硅基衬底上。

        这一切都得益于硅光技术的产生。

3.硅光技术是如何产生的

        受集成电路的启发，集成光路的概念被提出，即利用光波导将一系列光电子器件集成在同一个衬底上，从而构成一个具有一定独立功能的微型光学系统。集成光路就是以硅CMOS工艺为基础的微电子技术，技术积累十分全面，并且硅基工业已经具有了强大的产业能力。以硅基作为衬底，利用硅CMOS工艺将光电子器件集成，硅光技术应运而生，凭借兼具微电子和光电子两大技术优势，成为了半导体和通信企业的竞争热点。

4.为什么要发展硅光芯片

        微电子技术是当今半导体领域的主要技术，已经遵循摩尔定律发展了60多年。随着微电子芯片集成度不断增加，工艺线宽不断变窄，微电子技术已经逐渐接近性能极限，摩尔定律[1]面临失效！同时进入5G时代，对数据传输的要求越来越高。

        传统的电芯片在信号传输模式上遇到了带宽、功耗、延时等一系列瓶颈问题。而与微电子只有“一字之差”的光电子，凭借高速和低功耗等优势逐步走上历史舞台!

        而硅光技术也更加广泛的运用于了军事方面。

[1]摩尔定律：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半。

5.硅光芯片在军事方面的应用

        在军事通信方面，硅基光电子技术最大的优势在于拥有相当高的传输速率，可使处理器内核之间的数据传输速度快100倍甚至更高，能为未来信息化联合作战提供高速、海量的数据支撑。目前，400G硅光模块在一些国家已成功实现量产，在数据中心光互连架构中的应用价值已得到充分证明，可有效满足高速军事通信对超高传输速率、超低延时、超高稳定性、超低成本、低干扰的要求。

        在军事高性能计算方面，能耗和信息读取速度成为制约高性能计算发展的两大因素，与电路相比较，光互连具有低损耗、低色散特点，且不存在寄生效应[2]。其性能与成本不会随着距离增加而显著增加，可使计算机并行处理能力和计算能力得到大幅提升。应用硅基光电子芯片的军事高性能计算机，将在导弹弹道计算、核爆炸计算等方面发挥重要作用。

        此外，硅基光电子技术在军事医疗、军事侦察、军事智能化等领域也展现出广阔的应用前景。目前，在军事医疗方面，已研制出生物传感器芯片；在军事侦察方面，一些国家已研制出基于硅基光学相控阵芯片的全固态激光雷达，其高集成度、快速扫描、小体积、低成本等优势，将成为下一代军用激光雷达的重要技术支撑；在军事智能化领域，硅光神经网络的建成和投入使用，将充当军事智能化发展的“催化剂”。

        未来，硅光芯片的前景广阔，其应用未必比电子芯片少。可以预见的是， 未来会是一个硅光芯片、电子芯片平分天下的局面。

[2]寄生效应：就是本来没有在那个地方设计电容或电感甚至电阻，然而因为某些因素如结构之间、PCB布线、管脚引线、通孔质量、焊盘到地距离、焊盘到电源平面距离、和焊盘到印制线之间、材料差异、器件封装、封装引脚和印制线过长等，特别是在高速电路中而表现出来的呈容性、感性、阻性。

文献摘要：

[1]. 一种让人振奋的黑科技——硅光技术 搜狐

[2]. 论硅光芯片出现的必然性及其技术展望 江桐 科技信息, 2010 (21), p.I0042-I0042

[3]. 论硅光芯片出现的必然性及其技术展望 江桐 科技信息, 2010 (21), p.I0042-I0042

[4]. 光电子技术与产业发展 [J].常坤;.

[5]. 无线互联科技 2014(04)光电子技术及其应用前景 [J].陈颖贤;

[6]. 电子世界 2018(01)光电子技术的发展和应用 [J].苏德辉;

[7]. 电子技术与软件工程 2021(09)

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