近期，隨着芯片代工巨頭和先進制程領跑者台積電宣布聯手英特爾押注硅光子芯片，這種被業內人士普遍好看的“未來芯片”，硅光子芯片進入了大衆的視野。雖說目前看來硅光芯片也許在未來一段時間內不會全面代替傳統的芯片，但是在通信領域，很可能是未來的主流產品類型。特別是對於我國來說，在先進制程的芯片制造領域頻頻被西方世界“卡脖子”的情況下，硅光子芯片很有可能是繞過光刻機，實現換道超車的“出路”之一。

縱觀芯片發展的歷史，總是離不开一個人們耳熟能詳的概念——“摩爾定律“。即：集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經過18個月到24個月便會增加一倍。換言之，處理器的性能大約每兩年翻一倍，同時價格下降爲之前的一半。但是隨着芯片制程的不斷進步，單個元器件越來越小，逐漸逼近物理極限，摩爾定律似乎不太好用了，芯片內部的互連线引起的各種微觀效應成爲影響芯片性能的重要因素，而芯片互連是目前的技術瓶頸之一，就好比我們的公路當路的寬度逐漸逼近上面行駛的汽車，這路會越來越難以在上面行駛。當芯片越做越小時，互聯线也需要越來越細，互連线間距縮小，電子元件之間引起的各種量子效應也會越來越影響電路的性能。

摩爾定律基本預測了幾十年來半導體的發展

那么，到底什么是硅光子芯片呢？顧名思義，硅光子芯片就是利用硅光技術實現的一種基於硅光子學的低成本、高速的光通信技術，利用基於硅材料的CMOS微電子工藝實現光子器件的集成制備。被業界認爲是是延續摩爾定律發展的技術之一。常見的互連线材料諸如鋁、銅、碳納米管等，而這些材質的互連线無疑都會遇到物理極限，而光互連則不然。硅光子技術採用的基礎材料是玻璃。由於光對於玻璃來說是透明的，不會發生幹擾現象，因此理論上可以通過在玻璃中集成光波導通路來傳輸信號，很適合於計算機內部和多核之間的大規模通信。在光互連中，最大的優勢就是其超高速的傳輸速度，可使處理器內核之間的數據傳輸速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被認爲是新一代半導體技術。但是，作爲下一代的半導體技術，其技術本身的起步卻很早就开始了。早在上世紀九十年代，就提出了有關的一些概念，是爲了在芯片發展到物理極限後取而代之，以延續摩爾定律。21世紀初开始，以Intel和IBM爲首的企業與學術機構就开始重點發展硅芯片光學信號傳輸技術，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數據電路。

目前來看，硅光芯片主要有三大優勢：集成度高、成本下降潛力大、波導傳輸性能優異。首先，對於硅光芯片來說，其襯底依舊是目前最成熟的硅，但是芯片間的互連採用更加緊湊的光來完成，與傳統方案相比，硅光子技術具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利於提升芯片的集成度；其次，硅光子芯片的基礎材料不需要傳統先進芯片的GaAs/InP襯底，只需要硅基材料即可，一旦大規模生產，芯片成本將會得以大幅降低；最後，硅的禁帶寬度爲1.12eV，對應的光波長爲1.1m。因此，硅對於1.1-1.6m的通信波段（典型波長1.31m/1.55m）是透明的，具有優異的波導傳輸特性。此外，硅的折射率高達3.42，與二氧化硅可形成較大的折射率差，確保硅波導可以具有較小的波導彎曲半徑。

還有一點很值得注意，就是對於我國目前的半導體產業來說，硅光子芯片有它獨有的優勢——可以避开先進光刻機的掣肘。雖然它在制作流程和復雜程度上同傳統芯片相似，但是它對於制程工藝的先進程度要求不高，不像傳統芯片那樣制程和能效的關聯性巨大，一般百納米級的工藝水平就能滿足硅光子芯片的要求，這對於我國來說，120納米左右的芯片是完全可以自主生產的，這樣就可以繞开先進制程工藝的限制，在未來實現換道超車。

在未來硅光芯片的應用場景也十分廣闊，特別是在智能駕駛和量子通信領域，硅光芯片都有這很大的潛力。先說在智能駕駛方面，目前在高速發展並且應用廣發的車載激光雷達技術（LiDAR）各位車主估計已經見怪不怪了。車載激光雷達技術需要多路激光發射和接收，所以對於多路信號控制十分依賴，這恰恰是硅光芯片的優勢，高度集成性和電光效應相位調諧能力使得它非常適宜在車載激光雷達上取代傳統芯片得以應用。目前有MIT、OURS等多個團隊推出基於硅光的車載激光雷達產品，隨着無人駕駛、輔助駕駛應用逐步成熟，LiDAR有望成爲硅光重要應用領域。

如果說在智能駕駛方面，硅光芯片的優勢還不算明顯，那在量子通信方面就是硅光芯片的主場了。衆所周知，量子通信的前提是制造糾纏態的光子並對其操縱控制，這是對於光的把握是硅光芯片最擅長的領域，北大團隊2018年3月在Science上發表了基於硅光的量子糾纏芯片的設計。在其中我們看到了量子通信在未來的軍事、金融、數據中心加密等保密領域有着顛覆性的優勢，而基於硅光的量子通信芯片有望成爲未來重要的技術方案。就目前而言，硅光子技術商業化較爲成熟的領域主要在於數據中心、高性能數據交換、長距離互聯、5G基礎設施等光連接領域，800G及以後硅光模塊性價比較爲突出。在可預見的未來，硅光芯片將支撐大型數據中心的高速信息傳輸，LightCounting預測2022年800G光模塊會逐步起量，預計到2024年規模將超過400G光模塊市場，達70億美元。

說了這么多硅光子技術的優勢，這項技術有沒有缺點呢？當然世界上沒有十全十美的事物，要是硅光子技術是完美的，那么我們現在大規模普及的就應該是硅光芯片了。那么對於硅光子技術，它最大的問題就在於硅光子芯片需要的器件多，而且目前仍有很多相關技術難題未解決：如陶瓷套管/插芯、光收發接口等組件技術目前尚未完全掌握。由此帶來了種種問題，比如硅光芯片的制造工藝面臨着自動化程度低、產業標准不統一；硅光芯片目前沒有適合的封裝方式，從光學封裝角度來說，因爲硅光芯片所採用的光的波長非常的小，跟光纖存在着不匹配的問題，與激光器也存在着同樣的問題；不匹配的問題就會導致耦合損耗比較大，這是目前行業的一大痛點。

但是，隨着先進制程工藝的發展空間越來越小，摩爾定律逐漸失效，越來越多的公司开始投入硅光芯片的研制工作，就比如文章开頭提到的台積電和英特爾，雖然就目前的技術來看，指望硅光子技術徹底取代傳統芯片不太可能，但是光硅子技術某些特定領域（比如文中提到的量子通信和智能駕駛）的潛力巨大，甚至會成爲唯一的選擇。但是，最後筆者也想引用電學之父“邁克爾法拉第“的一句話來做結尾：”一個剛剛出生的嬰兒有什么用呢？“