摘要：光电子的长期目标是使用光子在芯片上通信，最终取代传统的
SerDes
以及导线互联，甚至取代传统的晶体管，不过这个长期目标可能需要十年以上的时间才能实现。光电子通信的中短期目标是在数据中心中替代传统铜绞线通信（长距离通信），以及为同一封装内的不同芯片提供数据互联（短距离通信）。
随着大数据时代的来临，数据中心中的互联技术成为了人们关注的热点。传统数据中心使用的互联技术是铜绞线互联，而近来人们发现铜绞线越来越难以满足数据中心的需求。另一方面，使用光通信可以提供极大的数据带宽，减小数据传输需要的能耗，并且在短距离通信和长距离通信上都有优异的性能。除此之外，使用光通信传输数据比起使用铜绞线传输数据更安全。正是基于这些优点，业界正在积极地推进使用硅基光电子通信的数据互联技术。加州大学圣巴巴拉分校的一项研究发现，截至
2005
年关于硅基光通信的论文总共才
500
篇，而在
2009
年到
2015
年之间论文发表数达到了
14000
篇，可见硅基光通信正在逐渐成为关注的焦点。另外一个趋势是，之前关于硅基光通信的研究资助大多来源于政府，而目前硅基光通信的研究资助大多来源于工业界。
除了学界的论文发表之外，业界巨头也在积极布局硅基光电子。
Mentor Graphics
以及
Cadence
已经发布了硅基光电子相关的工具，而
Synopsys
也在积极开发相关的仿真工具。
GlobalFoundries
也不甘落后，近期正在斥巨资投入用于硅基光电子的工艺制程。光电子将会被大规模使用已经没用任何疑问，现在不确定的
只
是光电子商用化的具体时间。
光电子技术简介
光电子通过光波导来传递光。其实早在上世纪70年代，集成光学的概念就已经被提出，即在同一芯片中同时集成光器件和电器件。2000年，Bookham公司首次实现了硅光子组件的商用，也即阵列波导光栅和收发器。2006年，Kotura公司实现了可变光学衰减器。目前的硅基光电子使用量子阱来实现光电子所需要的光源。具体来说，在硅衬底上生长两种不同III－V族材料的夹层就可以实现量子阱。在量子阱中，电子被捕获于垂直夹层表面，于是就产生了一个激光光源。相较于传统使用电信号的金属导线，使用光波导的光电子通信带宽更大且能效较高。带宽更大的原因是光作为电磁波的频率可达数百THz，使用该频率的载波可以轻易实现上百Gb／s的数据率。功耗小则是因为光波导相比铜导线的损耗较小，因此传输信号的能量可以较小。
目前的研究热点是使用量子点来代替量子阱，这样可以通过改变量子点的形状或大小来微调光源的性质，例如量子点发射光的频率。量子点可以将光源以较低成本集成到硅基材料上，降低激光功率阈值并改善长期可靠性。
在光电子和半导体技术间有不少重合的地方。光电子最重要的一些参数，例如特征线宽和边缘粗糙度，在硅电子中已经有很好的处理方法。此外，光电子的工艺设计套件（PDK）与传统半导体业很相像。光电子设计围绕的是新的器件，而设计者还是要做DRC，LVS，光刻模拟等等，这些都与CMOS设计流程很像。随着硅基光电子的兴起，硅基光电子器件的集成度和性能甚至可能会以类似摩尔定律的形式指数上升。
光电子技术在数据中心的应用
随着互联网的蓬勃发展，越来越多视频，图像（包括AR／VR）以及物联网传感器数据流在互联网及数据中心中汹涌流动。在90年代，人们就已经使用基于光纤的光基通信来实现互联网长距离通信。在今天，数据中心中服务器间的互联也在越来越多地使用光电子通信。数据中心需要多台计算机协同工作。每台计算机的性能越强，较低的互联带宽就越容易成为性能提升的障碍。我国研制的天河2超级计算机，已经连续五次获得世界计算机Top500的第一名，它的柜与柜所有的连接就都是通过光信号进行通信。传统的铜绞线传输不仅带宽提升困难，功耗和发热也不可小视，由此还会带来数据中心温度控制的附加成本。同时相对于电磁波易干扰易窃听的问题，光信号在安全性上得到了巨大提升。因此业界对硅基光电子技术寄予了厚望。
GlobalFoundries的资深研究员Ted Letavic表示，“互联网数据在今天需要海量的带宽。例如，在2020年仅仅是移动互联网就能每个月产生30.6 EB （1EB＝10^6 TB）的数据。” Letavic相信，硅基光电子会对数据中心的架构产生深远影响。与目前的巨型数据中心相对，未来可能会产生分布式的小型数据中心，而数据中心之间使用光互联来传输数据。随着数据互联对于带宽需求的提升，光互联将会慢慢取代铜绞线互联。例如，在5G时代，从数据中心到小型基站间需要高速连接。到终端节点的连接数据率就需要1Gb／s，而连接基站和数据中心的互联更需要16-25Gb／s的数据率。
GlobalFoundries并不是唯一看好光电子的业界巨头。HP，Intel和Juniper都在积极推进光电子的应用，而Cisco也在光电子市场投入了巨大资本。据Intel估算，大数据中心里面专用的核心光电元器件每年大概有50%的复合增长率，估计到2020年，市场规模可以高达50亿美金。这就让光电子产业成为半导体元器件领域增长最快的市场之一。
光电子技术在芯片间通信的应用
