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摘要：硅光子学是一种利用硅半导体制造技术在硅晶圆上构建大规模光电路，也就是光子电路的技术。该技术利用光的特性，实现高速、大容量、低功耗的数据传输。

关键词：硅光子学、硅晶圆、光子电路、集成

什么是硅光子学？

硅光子学是一种利用硅半导体制造技术在硅晶圆上构建大规模光电路，也就是光子电路的技术。该技术利用光的特性，实现高速、大容量、低功耗的数据传输。

随着社会活动的数字化，远程工作得到了普及，企业越来越多地将其供应链联网，信息处理对于自动驾驶和娱乐也至关重要。支持这一点的数据中心和网络系统的需求不断增加，而随着数据量的增加，功耗也随之增加，因此需要降低功耗和成本。

然而，由于数据中心和网络系统本身使用的电子电路的性能改进已达到极限，因此现在连接多个设备以适应更高的处理能力。数据设备之间、设备内部的运算电路之间以及运算电路与存储器之间的数据传输现在需要在处理能力和功耗方面超过当前电路的能力。

因此，近年来，人们努力通过在数据设备之间以及设备内部的运算电路中引入使用能够高速、大容量数据传输的光子电路，来提高处理能力并降低功耗。然而，传统的光子电路具有由不同材料制成的单独组件，因此难以小型化并消耗大量功率，而且价格昂贵。

硅光子学技术可以解决这一问题。利用基于现有硅半导体制造技术的技术，可以将由各种组件组成的光子电路以紧凑且低成本的方式集成在硅晶圆上。

利用硅光子学批量集成各种光学元件

传统的光子电路使用石英玻璃作为光配线部分（光波导），但通过使用折射率更高的硅，可以实现小型化。此外，硅晶圆可用于集成由不同材料制成的器件。此外，通过使用已经广泛使用的高性能半导体制造技术可以降低制造成本。

由于其基于现有的半导体制造技术，因此使用电子的电子学和使用光的光子学的融合已成为现实。

传统石英光波导与硅光子学光波导的尺寸比较。

迈向硅光子学的实用化

日本产综研正致力于建立标准技术、推进先进研发并构建产业发展的生态系统，以推动硅光子学的普及。

产综研拥有一条可处理300mm晶圆的研究用硅半导体生产线，相当于一条商业生产线。为了建立标准的硅光子学技术，产综研正在利用这条生产线开发将成为电路基本元件的光子元件。

为了进一步提高硅光子学的功能，产综研还在开发集成不同材料的技术。通过开发集成磷化铟（InP）光源等不同材料元件的专有技术，以及通过在硅波导上集成氮化硅（SiN）波导的高效光纤耦合，产综研实现了世界最高的效率。产综研还开发了世界上最大的信息通信光开关，并成功在一秒钟内传输1.25亿吉比特的数据，相当于60万张蓝光光盘。

作为一个新型研究领域，产综研还在开发使用光而不是电子进行计算的光学集成电路。使用硅光集成电路，现在可以以超低延迟和低功耗执行人工智能中使用的神经网络计算。

硅光子学研究现状与未来展望

硅光子学已在信息与通信领域投入实际应用。其中最主要的应用领域是数据中心，用于连接服务器。与传统技术相比，其功耗显着降低。随着全球范围内对大容量、超高速数据通信需求的增加，硅光子学市场预计将扩大。预计未来几年将从数十亿美元增长到100亿美元（约724.65亿人民币）。除了信息与通信领域，未来硅光子学技术还将在医疗、生物应用、移动应用等不同领域得到推广。

20世纪90年代后期开始研发的硅光子学技术，通过器件/电路设计方法和应用技术的开发以及半导体制造技术的创新，已经达到了作为光子器件的实用水平。未来，为了进一步推广应用，产综研希望建立一个易于使用的制造和开发环境，并推进能够应对大规模电路和应用多样化的设计技术、安装技术和检查技术的实用化。希望通过进一步发挥硅光子学技术的潜力，促进其与电子技术的融合，创造出前所未有的应用领域。

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硅光子学（Silicon Photonics）——走向电子学和光子学的融合