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在過去二十年間，絕緣體上硅（SOI）襯底技術(shù)一直是硅光子集成電路的重要基石。SOI 不僅助力硅光子在數(shù)據(jù)中心互連領(lǐng)域獲得商業(yè)成功，也助推了高速光收發(fā)器的大規(guī)模應(yīng)用。如今，新一代計(jì)算市場(chǎng)不斷擴(kuò)張，為了滿足更多的需求，許多新興應(yīng)用也開始大規(guī)模接入硅光子平臺(tái)及其背后成熟的生態(tài)。例如，面向消費(fèi)者的醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)設(shè)備的傳感、基于激光雷達(dá)（LiDAR）的圖像傳感器，以及光學(xué)量子計(jì)算和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
本文將著重介紹基于光子學(xué)的新型計(jì)算架構(gòu)，包括光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和量子信息處理。為了滿足新應(yīng)用不斷變化的需求，Photonics-SOI 優(yōu)化襯底的設(shè)計(jì)以及 Smart-Cut? 工藝不斷演進(jìn)，以解決大批量制造、良率、成本效益等問題。
具體而言，要將光子應(yīng)用于經(jīng)典計(jì)算以及量子信息處理，需要高密度的芯片級(jí)集成，從而使每單位芯片面積都擁有日益復(fù)雜的光學(xué)功能。從這個(gè)角度而言，諸如頂層硅均勻性、表面平整度、局部缺陷、晶圓形狀等幾何參數(shù)都需要遵循這些需求。
（上圖）終端應(yīng)用領(lǐng)域及市場(chǎng)趨勢(shì)推動(dòng)硅光子的技術(shù)發(fā)展
硅光子用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
自20世紀(jì)70年代末以來，光纖基礎(chǔ)設(shè)施一直被用于長(zhǎng)距離的通信信號(hào)傳輸，因?yàn)橄啾茹~基電纜，光纖的帶寬容量更大、數(shù)據(jù)速率更高，且延遲更低。從那時(shí)起，高能效光互連就不斷滲入重要的電信網(wǎng)絡(luò)，直至進(jìn)入數(shù)據(jù)中心環(huán)境中的機(jī)架到機(jī)架數(shù)據(jù)鏈路。
與之極為相似的是，全光計(jì)算（all-optical computing）還可以用來實(shí)現(xiàn)更快的計(jì)算，而其功率預(yù)算僅為傳統(tǒng)數(shù)字電子計(jì)算架構(gòu)的一小部分。換言之，以通過光來傳輸數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)完全不同?，F(xiàn)在的數(shù)字計(jì)算機(jī)是基于晶體管的，這是一種高度非線性器件，它可以打開和關(guān)閉電子信號(hào)，并構(gòu)成邏輯門的基本構(gòu)建塊。而光子器件（除了激光器和電吸收調(diào)制器）通常線性度極高，這意味著其輸出與輸入成正比關(guān)系，就像在模擬域一樣。
然而，讓計(jì)算機(jī)能夠直接從圖像、文本或聲音中完成分類任務(wù)，且越來越流行的深度學(xué)習(xí)算法主要依賴線性代數(shù)。通過級(jí)聯(lián)不同級(jí)別（stage）的線性集成光子器件，如分束器和馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）干涉儀，線性代數(shù)能夠以更快、更節(jié)能的方式運(yùn)算。這些級(jí)即構(gòu)成了光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Optical Neural Network ，ONN）的相應(yīng)層。通過這種方式，僅僅依賴從 ONN 一端流向另一端的光，即可完成順序矩陣的乘法或轉(zhuǎn)置。
硅光子賦能 ONN
硅光子領(lǐng)域目前已具備商用能力，眾多的初創(chuàng)企業(yè)也隨之誕生。麻省理工學(xué)院的兩家初創(chuàng)企業(yè) Lightmatter 和 Lightelligence 正在開發(fā)基于硅光子馬赫-曾德爾干涉儀方法的光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器。Lightmatter 預(yù)計(jì)能在不久的將來開售采用這種硅光子芯片的光學(xué)加速器板。
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（上圖）由多個(gè)用于完成線性代數(shù)計(jì)算的層組成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖。 （右下圖）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)實(shí)現(xiàn)(ONN)利用了級(jí)聯(lián)并互連的定向耦合器、分束器以及馬赫-曾德爾干涉儀硅光子器件，這些器件均在 Photonics-SOI 襯底上制造。當(dāng)光從輸入端（激光輸入）移動(dòng)到輸出端（光電探測(cè)器陣列輸出電信號(hào)）時(shí)，會(huì)經(jīng)過由線性硅光子器件和電路實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)層級(jí)（stage或layer），這些層級(jí)可完成線性代數(shù)運(yùn)算。
硅光子用于量子信息處理
量子技術(shù)現(xiàn)在已發(fā)展成為一個(gè)嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域，它利用量子力學(xué)原理來解鎖全新的功能。在量子力學(xué)系統(tǒng)中對(duì)信息進(jìn)行編碼，繼而處理、存儲(chǔ)和傳輸?shù)目赡苄?，將為不同的技術(shù)領(lǐng)域帶來巨大突破，例如計(jì)算、通信、計(jì)量、傳感，甚至制造技術(shù)。與此同時(shí)，數(shù)量眾多的量子解決方案初創(chuàng)公司，以及谷歌、IBM、英特爾、微軟和東芝等行業(yè)巨頭們無不齊頭并進(jìn)地大力投資于量子技術(shù)。
在 200 mm Photonics-SOI 優(yōu)化襯底上實(shí)現(xiàn)的量子非線性硅光子器件光學(xué)圖像。該器件具有兩個(gè)線性非耦合跑道型諧振器。第二張圖像去掉了電路，并疊加顯示了被金屬覆蓋的波導(dǎo)位置（參考來源：Sabatoli等，Phys. Rev. Lett. 127, 033901, 2021）。
盡管超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)在過去的二十年中有所發(fā)展，但當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)大規(guī)模時(shí)，超導(dǎo)量子比特（經(jīng)典數(shù)字比特位的量子對(duì)應(yīng)物）之間的連通性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。另外，這種系統(tǒng)的工作溫度低于 -272°C ，冷卻系統(tǒng)以設(shè)置并測(cè)量量子比特狀態(tài)所需的儀表裝置極其復(fù)雜，這也對(duì)超導(dǎo)量子計(jì)算架構(gòu)的擴(kuò)展帶來無法忽視的技術(shù)障礙。
在所有技術(shù)中，硅光子被認(rèn)為對(duì)工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用最具吸引力。集成光子學(xué)包括了對(duì)數(shù)千種光子器件的芯片級(jí)集成，從而使其能夠產(chǎn)生、控制并檢測(cè)光。絕緣體上硅（SOI）光子集成電路平臺(tái)提供了相當(dāng)?shù)募軜?gòu)復(fù)雜度來實(shí)現(xiàn)量子光子技術(shù)，同時(shí)具備各種集成可能性，包括在芯片上集成單光子源和糾纏光子源，以及電光相位調(diào)制器、濾光器甚至單光子探測(cè)器。
正如我們?cè)谥暗奈恼轮兴v，硅光子被公認(rèn)為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，因?yàn)樗梢岳贸墒斓幕パa(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）制造工藝，從而以低成本和高吞吐量實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光電路和系統(tǒng)的商用。另外，它本質(zhì)上能與 CMOS 邏輯和數(shù)字電路共集成，能夠?yàn)楣怆娐诽峁┢想娮?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E9%A9%B1%E5%8A%A8%E5%99%A8/">驅(qū)動(dòng)器和數(shù)據(jù)處理功能。而且，硅光子還能夠集成其他光子材料，如 SiN 和 III-V 半導(dǎo)體。也由此可見，絕緣體上硅（SOI）平臺(tái)可以通過其他材料得到極大的豐富，同時(shí)能保持低成本制造、更高吞吐量和功能復(fù)雜度的可擴(kuò)展性等。
最后，在高級(jí)計(jì)算方面，集成光子學(xué)也逐漸被視為量子信息處理的有效平臺(tái)。例如，由于光子在室溫下具有較長(zhǎng)的相干時(shí)間，因此在量子密碼學(xué)中，光子可以作為信息向量，并且它們還能夠通過現(xiàn)有的光纖基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行傳輸。如上圖所示，通過時(shí)間-能量糾纏實(shí)現(xiàn)光子對(duì)的量子相關(guān)性已經(jīng)在 SOI 平臺(tái)上通過硅環(huán)和跑道型諧振器得到了證實(shí)，再結(jié)合在 SOI 波導(dǎo)中可實(shí)現(xiàn)的足夠大的有效光學(xué)非線性，發(fā)射器的占位面積也將比非光子源減少幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
Soitec 的 Photonics-SOI?
通過應(yīng)用已獲得專利的 Smart-Cut 技術(shù)，Soitec 多年來一直在為多個(gè)客戶提供量產(chǎn)的8英寸和12英寸 Photonics-SOI 產(chǎn)品，尤其面向硅光子收發(fā)器和數(shù)據(jù)中心光互連市場(chǎng)。
除了上述基于 Smart-Cut 的 Photonics-SOI 襯底以外，Soitec 還提供將 Smart-Cut SOI和硅外延再生相結(jié)合的 SOI + EPI 技術(shù)，該產(chǎn)品面向總厚度僅幾微米的頂層硅，目前可用于早期客戶樣品的開發(fā)和小批量生產(chǎn)。此外，Soitec 還可為客戶提供 Photonics-SOI 的定制服務(wù)。
作者：Corrado Sciancalepore，Soitec 全球業(yè)務(wù)部光子材料專家
