硅基光电子学（光子学）研讨概况
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硅基光电子学（光子学）研讨概况
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硅基光电子学研讨概况
编者按：本文引见了硅基光电子技术的研讨现状、重点研讨方向、技术难点以及国内外次要研讨机构的基本情况。希望能为我所学科规划的发展提供一些参考。
一、技术概述
硅基半导体是古代微电子产业的基石，但其发展已接近极限。而光电子技术则正处在高速发展阶段，如今的半导体发光器件多利用化合物材料制备，与硅微电子工艺不兼容，因此，将光子技术和微电子技术集合起来，发展硅基光电子科学和技术意义严重。近年来，硅基光电子的研讨在国内外不断取得有目共睹的重要打破，世界各发达国家都把硅基光电子作为长远发展目标。
硅基光电子学包括硅基光子材料、硅基光子器件和硅基光子集成三个次要方面。分别引见如下：
1. 硅基光子材料
（1）硅基纳米发光材料
目前的研讨重点是如何有效地控制硅纳米晶粒的尺寸和密度，以构成具有小尺寸和高密度的有序纳米结构。制备方法有：经过独立控制固体表面上的成核地位和成核过程完成自组织生长；在掩蔽图形衬底上的纳米结构生长；扫描探针显微术的表面纳米加工；全息光刻技术的纳米图形制备以及激光定域晶化的有序纳米阵列构成等。
（2）硅基光子晶体
光子晶体具有合成的微结构、周期性变化的折射率以及与半导体潜在电子带隙相近的光子带隙。根据能隙空间分布的特点，可以将其分为一维、二维和三维光子晶体。光子晶体的实践运用是人们所关注的焦点，而与成熟的硅工艺相结合是人们非常看好的方向，可出现全硅基光电子器件和全硅基光子器件，因此制备硅基光子晶体及其运用将是当前的研讨重点。在一切光子晶体制备方法中，运用多光束干涉的全息光刻法有着许多优点：经过照射过程能够制成大体积分歧的周期性结构，并能自在控制结构多次。经过控制光强、偏振方向和相位延迟，制成不同的结构。
2. 硅基光子器件
（1）硅基发光二极管
作为硅基光电子集成中的光源，硅基发光二极管（Si-LED）的完成是硅基光电子学研讨中的一个主攻方向。目前的研讨重点有：如何采用合适的有源区材料，完成其高效率和高波动度的发光；从器件适用化角度考虑，如何完成Si-LED在室温下的电致发光。研讨人员已尝试了三种硅基纳米材料用于高效率Si-LED的制造，即硅纳米量子点，高纯体单晶硅和掺Er3+的硅纳米晶粒。目前报道最好的结果是韩国科学家研讨的由镶嵌在SiNx膜层中的硅纳米量子点所制成的电致发光LED，室温下的外量子效率可高达1.6%。
（2）硅基激光器
目前，人们已初步提出了三种能产生光增益或受激辐射的增益介质材料，即具有高密度和小尺寸的有序硅纳米晶粒，基于内子带跃迁的硅/锗量子级联合构和具有受激喇曼散射特性的绝缘硅（SOI，Silicon-On-Insulator）光波导结构。2005年2月17日的《Nature》杂志上报道了Intel公司利用喇曼效应研制出了世界上第一台连续光全硅激光器。
（3）硅基光探测器
硅基光探测器是硅基光电子集成中的光信号接收器件，它应具有良好的光呼应特性，较高的探测灵敏度，小的暗电流和宽频带等优点。由麻省工学院材料科学与工程系研制的Ge-PIN光探测器，在1310nm、1550nm、1620nm波长的呼应率分别为：600mA/W、520 mA/W、100 mA/W。该探测器能够覆盖光通讯整个C band和大部分L band范围，具有2.5GHz的3dB带宽，在1310nm和1550nm的功能能够和目前用于通讯的商用铟镓砷（InGaAs）探测器相比拟。
（4）硅基光调制器
光调制器是利用材料折射率的变化，对传输光的相位和波长进行调制的光波导器件。由于硅材料不具有线性光电效应，所以普通硅基光调制器和光开关是基于硅的热光效应和等离子色散效应而design的。2004年2月，Intel率先在享有很高名誉的《Nature》科学杂志上宣布他们研制成功了Gbit/s的硅光调制器。仅过了一年，Intel的研讨员证明他们的光调制器的传送速率曾经达到10Gbit/s。
3. 硅基光子学集成
虽然目前还没有研制出硅光电子集成芯片，但研讨人员已提出了两种可供参考的集成方案：光电混合集成和单芯片集成。但硅基光子集成工艺却有着很大难度，这是由于：光子器件和电子器件的结构复杂，两者在结构design上存在着能否互相兼容的成绩；制造工艺繁杂，因此存在着各种工艺和前后工序之间能否互相兼容的成绩；电互连、光互连与光耦合等成绩。结构design与制造工艺的相容性成绩则是能否完成硅基光子集成的关键所在。
二、国外次要研讨机构及研讨情况
1. 美国哥伦比亚大学纳米光学实验室（Optical Nanostructures Laboratory）
美国哥伦比亚大学纳米光学实验室（Optical Nanostructures Laboratory）经过与产业伙伴的合作，当前正在进行高密度、高功能的光电集成电路实验。目标是利用CMOS曾经成熟的技术，在同一硅片上完成多种光电功能。他们的目标是design、制造并测试最小光学损耗的核心光子元件，并进行带宽和纳米光电器件实验。这种高功能的光电集成电路将有着特定用途。
在哥伦比亚大学，硅光子研讨小组在SOI平台上进行光子学集成方面的design、数值模仿、制造和功能分析。小组的目标是：在硅基平台上进行有源和无源光学特性的论证，例如：光的产生、控制、传播和探测。他们正从事横截面积小于0.1mm2波导器件的研讨。这种超小的截面将有以下好处：（1）小的截面能够进步介质的非线性呼应，从而可以运用低功率的激光器；（2）这种器件能够减少光生载流子的寿命，这样，自在载流子的吸收将大大减少；（3）小的截面添加了传播的可能性。在纳米级波导制造方面研讨小组将和IBM公司T.J.Watson研讨中心的Vlasov和McNab两位博士合作。该小组的研讨方向有：喇曼放大器、C波段波长转换器、磁光单向挪动隔离器、快速低功耗热光开关、脉冲调制受激喇曼散射理论研讨。
2. 加拿大国家研讨院（NRC）微结构科学研讨所（Institute for Microstructural Sciences National Research Council of Canada）
利用物理和生物科学交叉的优势，NRC-IMS（加拿大国家研讨院微结构科学研讨所）在与产业和高校合作上处于领先地位，与将来硬件需求相关新技术（信息处理、传播、存储和显示等）的开发具有明显优势。
NRC-IMS与加拿大产业合作的战略也使他们在全球IT产业中所需新技术方面居于统治地位。NRC-IMS产业合作伙伴经过研讨进步技术，经过有选择的投资技术降低产业化的风险。如果能够完成，对该机构的将来将会是很大的转变，同时也是一个很好的机遇。
该研讨所光子零碎研讨小组次要研讨混合集成光波导器件，混合物利用各种材料的优点以及很低的成本在芯片上完成全面和最佳的功能。该小组的研讨方向有：波长管理零碎、硅/聚合物集成器件、无源/有源集成器件、波长积分器、化学和生物化学传感器。
在先前对通讯零碎波导器件研讨的基础上，该小组当前的研讨重点是众多功能集成的零碎，包括：硅/聚合物混合可变光衰减器（VOA）、阵列波导光栅（AWG）、硅/聚合物混合热光开关（TOS）、掺铒波导放大器（EDWA）、可调多波长激光源、半导体光放大器（SOA）。这些波长管理零碎有着各种功能，包括：波长监测、补偿、阻挠、开关、光加入/取消、光放大、判决、光调整、光转换、再整形、再定时。
同时，该小组也研发化学、生物化学传感器，这种传感器可用来监测折射率的变化和用作波导表面材料的荧光效应。
3. 意大利特伦托（Trento）大学物理系纳米科学实验室（Nanoscience Laboratory）
意大利特伦托（Trento）大学物理系纳米科学实验室研讨的领域触及以下三个方面：
（1）纳米光子学：纳米范围内的光子能够出现新景象，这些新景象能够带来新的器件。纳米晶体半导体的研讨能够获得制造器件新的方法，如放大器和激光器等。利用电子束光刻能够制形成二维和三位的光子晶体。集成硅光电子重点研讨光开关、调制器和光闸等。纳米晶体材料和光子晶体的结合能够开发出新的用于生物传感器和生物转换器的器件。
（2）纳米材料特性：具有新功能的材料如离子化合物或半导体重点用于能量、微电子和光电子学。在各种材料中，纳米结构的材料具有依赖结构发展的新特性。多年来，我们不断利用波动光谱学（喇曼和FT-IR）进行纳米结构合成物的实验，次要有纳米结构金属、电介质氧化物或半导体的量子点。最近的研讨还触及到碳纳米管。
（3）纳米生物技术：这个方向的次要目标是研讨和实验新的纳米器件，design要达到原子级，控制它们的三维结构掌握他们的功能。由于这些功能的奇特之处在于它们是自我调理三维结构的生物分子，纳米结构分子生物的添加，如量子点，能够获得新一级的纳米器件如纳米传感器、纳米转换器和纳米光学触发器。这项研讨是跨生物化学家、材料学家和电子工程师之间的合作。我们目前正在研讨基于硅的光学纳米传感器，这种传感器用于辨认病原品种（病毒和DNA）和巨大零碎。
该实验室著名的半导体光电专家Lorenzo Pavesi教授是国际公认的硅基光电子研讨方面的权威，曾在NATURE等国际著名期刊发表重要论文，组织过多次硅基光电子的国际会议。
4. Intel公司
Intel将硅光电子的研讨分为三个阶段，共有六大难题，分别是：光源、光波导、光调制、光探测、低成本集成、智能化。如图下页1所示。
第一阶段是证明硅作为光学材料的能力，Intel对硅光电子的研讨正是第一阶段。硅具备制造有源和无源光器件的功能，但用作有源器件时功能会有一定局限。在制成多种功能的集成光模块之前，这些功能经过研讨曾经得到改善和进步。最终，Intel将大部分精力投入到有源器件下去，例如：光的调整、探测、开关、调制和放大，取得了一些成绩，包括首台Gbit速率的调制器和首台连续光波硅激光器。虽然采用LiNbO3（铌酸锂）、InP（磷化铟）制成的10 Gbit/s的调制器在今天曾经被广泛运用与长距离通讯，在2004年以前没有利用硅制成速度超过20Mb/s的。2004年2月，Intel宣布研制成功了Gbit/s的硅光调制器。经过像晶体管那样集成器件，Intel公司能够制造速率比以前更快的光调制器。一年后，Intel的研讨员证明他们的光调制器的传送速率曾经达到10Gbit/s。
过去由于材料的半导体特性使得硅激光器没有研制成，光子有效激发甚至光放大能够用InP材料来取代，Intel的科研人员发现利用喇曼散射效应能够让光波经过硅后进行放大，这是靠着硅晶体产生的“泵浦”光将能量传给信号光完成的。然而，成绩是如何维持连续的工作。由于称为“两个光子吸收”的混乱的量子效应，惹起光吸收电子云聚集在放大器中。
经过集成二极管式的半导体器件，研讨人员发现他们能够清除电子云以达到连续工作的目的。经过给光放大器周围放置反射镜（在芯片末端），Intel制造了世界上第一台连续波硅激光器。
硅光电子研讨小组在研制出了一批有目共睹的有源光器件后虽然遇到了下面所描述的一些困难，Intel还是希望进入混合集成的第二阶段。第二阶段从硅光学实验台开始，该实验台是将电子和光子集合在微型机械结构的硅聚集平台。在不需求打开光源的条件下硅结构能够引导器件处于合理的地位。在这一阶段，Intel将会直接把一些特定的功能集成到硅器件中。例如：硅光复用器和探测器可以整合成多路接收器或硅调制器，激光器和无源器件可以集成为多路发射机。只要当集成方案对最终的模块带来好处的时分才会被采用，这些好处包括功能的提升、较小的体积和较低的成本。
最后一个研讨阶段就是单片硅集成电路，即将一切的器件集成到一个模块，这样就不用在运用前对光源发出的光进行任何处理，而且成本也会降低很多。这同时也可以带来电子学方面的好处，如果光电集成能够得到处理，则异样属于电子学领域的革命。
如果成本降到足够低，新的产品将会随之出现。集成硅光收发器可以直接整合到光缆的连接器中，完成电接口的功能。对于技术人员来说，这就好像单一的电缆一样，将一切灵敏的光学接口放置在连接器中。网络设备如服务器刀片只需求有电接口。至于电光转换显然可由光缆本身完成。如果连接失败，更换光缆即可。
大量硅光芯片集成可以将零碎和网络的连接方式变成光互连。正如前面所提到的那样，利用光传输能够消弭带宽和距离的限制，柔软的结构能够更有效地传送数据。硅光电子的运用甚至超出了数字通讯的范围，包括高速数据的光调试，经过传送模仿射频信号扩展无线网络，以及低成本的激光器能够用于生物医学。
5. Luxtera公司
Luxtera公司成立于2001年。Luxtera是第一家提供光子器件处理方案的公司，在开始的时分，Luxtera是世界上次要消费很小线距CMOS工艺芯片的公司之一。Luxtera的CMOS光子器件都是由CMOS电子学工艺集成，体积比传统的光子器件更小。
Luxtera公司产品经过直接集成高速光纤光网络接口到标准CMOS芯片以满足对带宽的需求，产品的design方案不只是将大量的数据从一个芯片传到另一个芯片（几乎不考虑距离和带宽），还要顺应Moore定律以满足按指数添加的网络数据接口数据处理量。
历史上，硅片的线距遵照Gordon Moore在1965年提出的Moore定律不断减小。这种硅制造工艺的指数量级进步，使包含十亿晶体管的芯片处理速度达GHz。然而，芯片本来有限的数据处理能力日益遭到芯片I/O速度的限制，由于芯片I/O速度不能按Moore定律提升，硅处理速度和集成密度令人惊奇的增长速度以及互相连接时电气特性的限制使得现有的这些不能满足将来硅产品的带宽要求。Luxtera的CMOS光子技术平台将迎接这些应战。
Luxtera的CMOS光子技术能够用CMOS工艺产品构建复杂的光学零碎，相反的CMOS工艺目前常用于制造超大规模集成电路（VLSI）。结合用于大范围分立计算机传递的高速数字电路、通讯和传感产品，Luxtera公司design、制造并测试了一套残缺的光子元件。
三、我国次要研讨机构及研讨方向
1. 中国科学院半导体研讨所光电子研讨发展中心
中国科学院半导体研讨所光电子研讨发展中心是由国家“863计划”投资建设的国家光电子工艺中心和国家计委投资建设的集成光电子联合开放实验室（半导体所区）优势组合而成。研讨方向包括：
（1）前瞻性、创新性的纳米半导体物理和器件物理研讨：1.3μm InGaNAs/GaAs、FP腔量子阱激光器和VCSEL激光器研制及其光电子智能化多信道光发射模块、GaN LED和蓝光激光器的研制、GaN紫外光探测器面阵。
（2）围绕国家重点科研计划，开展光网络用光子集成基础研讨：1.3μm-1.55μm 调谐范围3-5nm InGaNAs/GaAs和GaSi/Si 新型RCE长波长窄带探测器研制、InGaAsP/InP长波长半导体光放大器(SOA)研制、Si基阵列波导光栅(AWG)复用／解复用器的研制、Si基光开关及其面阵研制、40Gb/s EA/M-Z调制器小信号测试零碎及其器件高频特性测试、分析技术。
（3）器件适用化技术的研讨与开发：开展适用化低成本高频封装技术研讨与开发、1.3 m VCSEL批量消费技术研讨与开发、光纤光栅型等无源光电子器件的研制与开发、大功率半导体激光器及其模块的研制与开发。
2. 浙江大学硅材料国家重点实验室
浙江大学硅材料国家重点实验室从上世纪50年代初就开始半导体材料研讨，至今已取得了一系列重要成果。在硅单晶生长技术，探测器级高纯硅单晶，硅单晶中碳、氧的控制，以及硅单晶的电学测量等方面取得过严重成果。该实验室在大直径硅单晶生长、硅的缺陷工程以及微氮硅单晶的杂质缺陷的基础研讨方面，于国际学术刊物和会议上发表一系列高程度的论文，在国际硅材料学术界占有独特的地位，同时还开展了铸造多晶硅在太阳能电池方面的运用研讨。其次要研讨方向如下：
（1）超大规模集成电路用大直径硅单晶晶体生长，晶体加工和缺陷工；
（2）半导体薄膜生长、物性评价及器件运用研讨；
（3）复合半导体光功能材料研讨；
（4）复合信息功能材料的基础研讨；
（5）半导体材料性质、分析测试方法及其基础理论研讨。
今后的发展中，该实验室预备进一步拓宽学科覆盖面，以大直径硅单晶，硅基材料，复合半导体功能材料研讨为主，同时加强电子信息材料、磁性材料等一批国民经济发展迫切需求的新型材料的研讨。
3. 吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室
实验室的研讨方向是以新一代光通讯、光信息处理等领域中的关键光电子器件（特别是以量子结构为基础的器件）及其集成研讨为重点，同时密切凝视光电子新材料、新器件、新运用技术的开辟。根据研讨方向，实验室的研讨内容包括半导体量子阱材料物理的研讨和重要光电子器件物理、design与工艺；光波导器件design与工艺完成；光电子器件运用及其零碎技术的研讨；光电子新材料、新器件、新运用技术的研讨。近期次要开展以下工作：Ⅲ-V族半导体光波导开关阵列；硅基光电子器件研讨；GaN材料的研讨；高功率超辐射集成光源；无机/聚合物电发光器件；光纤光栅研讨；5GHz半导体超短光脉冲激光器及光孤子研讨；光ATM交换零碎技术；程控/手动单模可调谐外腔半导体激光器及其产品开发。
4. 中国科学院微电子研讨所
中国科学院微电子研讨所的硅器件与集成技术研讨室以硅集成电路工艺为研讨方向，在国内率先深化、零碎地开展了0.35/0.25/0.18/0.1微米CMOS集成电路关键技术研讨， 研发成功了8项可适用化的工艺模块，为今后开发消费工艺奠定了基础。包括：超陡的倒掺杂沟道剖面的优化design和工艺完成方法；超浅的高浓度S/D 延伸区结构design与完成技术；超薄氮化栅氧化膜制备技术；双多晶硅栅电极结构；高精度、高选择比干法刻蚀技术；薄的、低电阻硅化物SALICIDE技术；电子束与Stepper混合光刻技术；两次SOG平坦化及双层布线技术。
四、国家863计划和973计划与硅基光电子相关的课题
表1 硅基光电子国家863计划
大直径SiGe／Si内涵材料研讨及产业化开发
多孔纳米SiO2及螺旋碳纤维在航空、航天器中的运用
中国航天科学集团公司第五研讨院第五O八研讨所
大尺寸高质量a-Si TFT OLED技术研讨
北方彩晶集团有限公司
直径12英寸硅单晶抛光片的研制及相关材料工程化运用研讨
有研半导体材料股份有限公司
多晶硅TFT无机发光有源驱动技术的研讨
掩膜管理零碎和硅片处理零碎研讨
哈尔滨工业大学博实精密测控有限责任公司
硅基镓氮固态光源关键技术研讨
24对棒节能型多晶硅还原炉成套安装
洛阳中硅高科学有限公司
Si基GaN材料研讨
中国科学院半导体研讨所
大尺寸半导体SiC单晶衬底材料
表2 硅基光电子国家973计划
课题担任人
SiC高频高温功率器件
中国电子科学集团公司第十三研讨所、西安电子科学大学
赵彤、郝跃
硅上无机发光微显示器件及其物理研讨
吉林大学、中国科学院微电子研讨所
赵毅、夏洋
反射式硅上液晶微显示材料及器件的研讨
中国科学院长春光学精密机械及物理研讨所、中国科学院微电子研讨所
凌志华、赵新为
参考来源：
1.彭英才，Seiichi Miyazaki，徐骏等.面向21世纪的硅基光子学.自然杂志.28卷2期
2.http://www.columbia.edu
3.http://www.nrc-cnrc.gc.ca/main_e.html
4.http://www.unitn.it/dipartimenti/fisica/eng/laboratories/nanosciences.htm
6./technology.htm
7.http://www./ncot0/new/index.htm
8.http://silab./intro/intro.asp
9..cn/sys/jd/jchdz/jchdz.htm
10.http://www./
11.http://www./863_105/index.html
12.http://www./AreaItem.aspx?fid=06
撰写背景：作为一门新兴学科，硅基光子学正在遭到越来越多的发达国家和重点研讨机构的高度注重和重点研讨。英特尔公司早在2002年就花费5000万美元并购了New Focus公司旗下的激光科学部门,开始硅基光子学攻关研讨，这为目前英特尔公司在世界硅基光子学研讨领域中的领先地位奠定了基础。今年六月，新加坡科学技术研讨局决定利用其硅光子技术潜力并经过与海内外机构联合研发来推进新加坡硅基光电产业的快速发展。我国也较早开展了硅基光子学研讨，例如我院半导体研讨所的王启明院士近年来专心努力于硅基光子学研讨，掌管了国家自然科学基金重点项目“硅基光电子学关键器件基础研讨”，在硅基发光器件的探求、硅基非线性测试分析等方面取得了许多进展。但从全体来看，我国对硅基光子学的研讨与世界相比还有一定差距。我们整理了近年来硅基光子学研讨取得的一些严重进展以及将来的一些发展趋势，希望能为我所学科规划的发展提供一些参考，也希望所里能对硅基光子学研讨给予注重。
一、近年来硅基光子学的研讨进展
随着微处理器功能呈指数增长，以及超大规模集成电路技术日益逼近它的极限，计算机零碎内部通讯速度和带宽落后于处理器芯片运算速度的趋势日益扩大，铜互连将成为计算机零碎全体功能提升的瓶颈。以完成硅基光电集成为目标的硅基光子学的不断成熟有望处理这一难题。
虽然硅本身不具备良好的光学特性，但是，十几年来，尤其是近五年来，在全球材料和器件物理学家的长期共同努力下，各种硅基光子学材料的制备和各类硅基光子器件的制造都取得了可喜的进展，硅基光电集成方面也曾经有了一定的打破。
1、硅基光子材料
硅基光子材料方面的研讨进展次要包括产生光发射的硅基纳米结构、使光被传导和分解的波导结构、具有光子带隙特征的硅光子晶体等。
1）硅基纳米发光材料
硅基纳米材料是指具有量子限制效应的硅或锗纳米晶粒，二氧化硅/硅（SiO2 / Si）超晶格，锗/硅（Ge/Si）多层量子点异质结和超小硅或锗纳米微粒。上述各种硅基纳米结构，已完成了从红外到紫外波长范围的强室温光致发光（PL）或电致发光（EL），乃至光增益和受激光发射。目前的研讨重点是如何有效地控制硅纳米晶粒的尺寸和密度，以构成具有小尺寸和高密度的有序纳米结构。
2）硅基光波导结构
硅基光波导器件是硅基光电集成器件研讨中的另一个热点。高功能和高可靠性的硅基光波导结构与器件是处理硅基光电集成技术中高速传输、复用与解复用、光分插复用、光交叉互连、光波导开关以及高速光调制等技术难点的关键。在过去五年中，IBM公司、比利时微电子研讨中心（IMEC）等研讨机构在降低小弯曲半径波导损耗方面取得了较大的进展。
3）硅光子带隙晶体
光子晶体是具有光子带隙特征的一种新型光子材料，由于它具有能够调理光子运动形状的奇特性质，因此在制造超小型和低阈值发光器件、多通道可调谐加/减滤波器、光子带隙波导放大器和将来的复杂光子结构中都将有着重要的运用。近年，硅光子晶体的研讨非常活跃。2005年11月，日本电信电话株式会社（NTT）的基础研讨实验室利用一种硅光子晶体成功研制出Q值（质量要素）高达104万的光振荡器，初次打破了100万大关。如此高Q值的光振荡器经过控制光信号，将成为光逻辑电路的基础技术。
2、硅基光子器件
硅基光子器件方面的研讨进展次要包括具有光增益和光放大并能使其受激辐射的硅基激光器、能使光信号进行调制的硅光调制器、在电场作用下使载流子定向挪动而产生电信号的硅光探测器等。
1）硅激光器
硅激光器的研制是硅基光子学领域中的一个最具有魅力，并且也最富应战性的前沿课题。作为将来硅基光电集成电路的光源，硅激光器有着丰富而深入的物理内涵，而且研讨具有绝对较大的难度。不过，近两年来，该领域的研讨取得了连续的打破性进展。
首先是在2004年10月，的研讨小组宣布制成了世界上第一台硅拉曼激光器。紧接着，2005年2月，英特尔公司的科学家采用标准硅制造工艺开发出世界上第一款连续波全硅拉曼激光器。2005年11月，美国俄亥俄州辛辛那提大学的物理学家宣布，他们研制成世界上第一种既能利用红外线又能利用可见光波段工作的硅激光器。这些里程碑式的研讨进展，使科学家朝着将激光器与电子组件整合在同一块硅芯片上的目标又迈进了一大步。
2）硅光调制器
光调制器是利用材料折射率的变化，对传输光的相位和波长进行调制的光波导器件，是光纤电缆传输数据的关键安装。近两年来，硅光调制器的研讨进展令人鼓舞。
2004年2月11日，英特尔公司的科学家宣布他们成功开发出运转速度为1千兆赫的硅光调制器，这比以往在实验室中取得的20兆赫的最高速度进步了50倍。2005年3月，加州理工学院一家新创立的Luxtera公司宣布研发出一种硅光调制器，该产品利用传统的硅制造工艺将传输速度提升到10吉比特每秒（Gbps），这也是目前传统网络所能达到的最高数据传输速率。2005年8月，Luxtera又宣布成功处理了困绕业界已久的在硅上消费超高密度光调制器的成绩，第一次利用标准CMOS工艺消费出了远比电子驱动电路小巧的硅光调制器。Luxtera此次推出的微环形硅光调制器支持10 Gbps速率，半径只要30微米，从而可以完成多个调制器的集成，支持100Gbps甚至1Tbps（太比特每秒）的调制，这使得芯片间光互连成为可能。
3）硅光探测器
硅光探测器是硅基光电集成中的光信号接收器件。具有良好的光呼应特性、探测灵敏度高、暗电流小和频带宽的光探测器是目前研讨的次要课题。
IBM公司在这方面取得了较大的进展。2004年6月，他们宣布开发出了一种基于新开发的绝缘体上锗（GOI）技术的高速光探测器。IBM公司开发的这款光探测器光学呼应频率接近30吉赫兹（GHz），可以探测速度大于50 Gbps的信号。该器件工作于非常低的电压，效率非常高（大于40%），可以探测一个很宽的波长范围内的光，而且与标准CMOS工艺兼容。所以IBM的这一进展，对于克服计算机零碎全体功能提升的瓶颈、完成芯片间光互连有着重要的意义。
此外，在硅基光子器件方面非常得一提的是，今年7月份，以巴拉姆-贾拉利（Bahram Jalali）教授为首的研讨小组宣布他们攻破了“双光子吸收（Two-Photon Absorption，TPA）”这一硅基光子学领域的基础性难题，在硅器件中完成了无电能损耗的连续光放大。
3、硅基光电集成
近年，随着硅基光子材料与器件研讨所取得的严重进展，硅基光电集成的研讨也日渐惹起了材料和器件物理学家的极大关注。虽然尚无成熟的硅基光电集成芯片问世，但科学家们已提出了两种可供参考的集成方案，即光电混合集成和单芯片集成。
Luxtera公司在该领域率先取得了打破性进展。2006年8月22日，Luxtera推出业界第一款采用标准CMOS工艺的单芯片集成光电器件。Luxtera的打破性技术将光学芯片和主流的电子技术集成到一同，完成光纤同电子芯片的直接配合，采用标准的0.13微米绝缘体硅片（SOI）CMOS工艺，进而还可以完成数字逻辑芯片同光芯片的集成，大大降低光器件的尺寸、功耗和成本。Luxtera的这一成就让我们看到了全硅光电集成完成的新曙光！
二、硅基光子学将来发展
随着硅基光子学近年来取得的一系列打破性进展，硅基光子学开始逐渐走向适用，硅用来作为一种光学材料也不再被人们所怀疑，转而都开始寻觅利用这一革命性技术的途径。
作为今后的发展方向，以下几个方面的成绩值得留意:
1、具有小尺寸和高密度的有序硅基纳米量子点是完成硅基纳米结构高强度、高波动度和高效率发光的最有希望的有源区材料。但是，要完成具有真正意义上的硅基纳米量子点，仍需在生长机理、工艺技术和功能检测方面进行更多的尝试性研讨。
2、在一切硅基光电集成器件的研讨中，硅激光器是重中之重。进一步的研讨需求在增益材料类型、器件结构方式和电致激发方式等方面进行优化组合。
3、作为起着光传输、光开关和光调制造用的各类硅基光波导结构与器件，为完成它们对光场的强限制造用、低传输损耗、高耦合效率、快呼应速度和低插入损耗等，还需在导波层和限制层材料、波导结构的design以及如何便于硅基光电集成方面进行深化的探求。
4、在对硅基光子集成器件的design与制造进行研讨的同时，应进一步加强相关基础理论研讨。例如，澄清硅基材料的发光、受激辐射、光传输和光探测特性与材料类型、结构特征、电子结构和载流子输运之间的相关性，以及拉曼效应的内在机理等。
光子技术取代电子技术还需求一定的工夫，这除了技术上的难度以外，目前光子技术的成本太高也是一个重要的缘由。英特尔公司光子技术实验室高级资深科学家荣海生博士很谨慎地预测大约10年左右的工夫两者的成本会基本分歧，到时也是硅基光子技术全面取代电子技术的转机点。一旦硅基光子技术达到适用的目标，其高带宽、高速率、低干扰特性将给芯片间互联、底板布线技术带来革命性的变化，并将彻底改变目前计算机零碎中通讯速度和带宽远远落后于处理器芯片运算速度的现状，从而引发一场新的信息技术革命。
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