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目录 1. 融合与分离 2. 光电相关概念与术语 3. 光电融合芯片基本概念 4. 光电融合芯片发展历史 4.1光电融合芯片国外发展历史 4.2 光电融合芯片国内发展历史 5. 光电融合芯片未来展望 5.1 光电融合芯片设计将发展成类似集成电路设计的独立研究领域 5.2 借鉴集成电路设计经验可以加快光电融合芯片设计的发展进程 6. 小结 附件：中英文术语对照表
1. 融合与分离
图1. 不同的分离和融合发展范式 融合不仅是一个理论概念，更是一种社会、工程及产业实践。我们的社会组织和技术发展史就是一部从分离到融合的发展史。集成电路、存算一体、社会组织、光电融合等都是融合发展的实例。集成电路可以认为是无源器件和有源器件的融合，存算一体则是计算和存储的融合。相比男性群体和女性群体互相隔离的落后生产关系，现代社会分工是男性和女性交流更为紧密融合的生产关系。类似地，集成电路和集成光子也慢慢地从分离走向融合。多则异是凝聚态物理的著名观点。相对分离而言，融合有更多的设计颗粒度、更多内部信息、更多交流互动，必然也会导致非常不同的系统。分离可以被认为是融合的一个子集，因此融合总是能够实现比分离更好的性能及更多的功能。分离可以做到的，融合同样可以做到，反之则未必。光电融合芯片可以被认为是光与电两元异质信号的芯片级融合，融合的概念可以被拓展到更加广义的多元异质融合领域。 虽然optics, photonics, quantum electronics, quantum optics, optoelectronics, electro-optics, electronics-photonics convergence及lightwave technology等术语被广泛使用，然而人们这些术语所代表的具体含义并未达成一致[1]。我们试图根据文献中的相关描述厘清不同术语的定义和关系。 集成光学(integrated optics)一词在1969年首次被Bell实验室的Stewart E. Miller所创造[3]，有文献认为集成光学和集成光子(Integrated photonics)表达同一含义[2]，是指在平面衬底和表面制备集成的波导和器件，是光子学的一个分支[4]，可以认为是光子学的集成版本。通过集成的方式，复杂的光路可以像集成电路信号处理和传输一样对光参数进行处理和传输。集成光学现在主要指在玻璃、二氧化硅及铌酸锂等透明衬底上的回路[5]。典型的集成光学包括铌酸锂开关阵列、滤波器阵列、高速调制器等。国际上第一个关于集成光学的主题会议于1972年由美国光学协会组织召开[6]。光电子集成回路(OEIC)包括片上晶体管和光电器件，采用金属连接，但是不包括波导[5]。1978年OEIC首次被试验验证，包含一个光电二极管及一个耿氏电子二极管[6]。需要说明的是文献中并没有形成对OEIC的统一理解，有学者认为OEIC是光子和电子集成在同一衬底的芯片[7]。光子集成回路(PIC)则强调片上激光及片上波导连接，而没有金属连接[8]。有学者认为光子芯片仅包括无源光器件[9]。光子芯片借用了电子学发展的路径，利用类似的技术和方法，将大型的光学元器件集成到了一个小小的基片上，其重要特征就是仅仅利用光子作为信息载体，不需要电子的参与[9]。 3. 光电融合芯片基本概念 光电融合芯片包括物质融合和信息融合两个方面。物质光电融合主要涉及光与电一体化制备方面的内容，而信息光电融合主要包括光与电一体化设计的器件互连及系统优化方面的内容。从信息第一性原理出发，信息光电融合更加严谨的定义是指在光参数产生、处理、存储、探测、呈现等动态过程中，通过光与电互相作用实现光参数非确定性消除的科学及技术的总和。任何信息系统均需要物质实体的支持，物质存在先于信息存在，芯片物质实体的制备是其实现任何信息功能的前提。芯片的制备不是随意制备，而是人类有目的地改造自然的结果。既然是用于实现人的目的，则需要在制备前做好规划和设计，也就是芯片设计。芯片设计过程就是设计人员在整个设计参数空间内通过参数的反复迭代寻求优化解，直至达到设计目标的过程。具备一定复杂度的现代系统设计皆需要借助计算机辅助设计软件，从而加快以上反馈迭代的设计进程。 1. 单片集成（单片异质集成）：目前还处于起步阶段，虽有工艺厂实现了原型，但是还非常不成熟，特别是激光器的集成极具挑战性。实用化的激光器目前还难以和其他部件一起形成单片集成，文献中的光电单片全集成芯片通常需要依赖外部的激光器。实际上目前并没有严格意义上完全能够独立工作的光电单片全集成芯片。从实用角度出发，激光器未必需要完全集成，外置方案也不失为可以商用的可行方案。可行性初步验证、成本、可靠性、规模化制备是需要长期攻克的挑战。 就信息光电融合而言，传统分离设计和融合设计有较大差别，但也存在过渡区域。对于过渡区域，我们无法严格区分两者。一般而言，如果光与电之间是开环级联且是通过人工的方法实现接口的对接和设计迭代，则可以被认为是传统分离设计。反之，如果光与电之间存在闭环互连且是通过一体化设计的方式实现迭代优化，则可以被认为是融合设计。服务于光电融合集成物理制备的光芯片和电芯片独立设计也可以被认为是光电融合芯片设计的重要环节。信息光电融合包括光电融合芯片设计及其建模仿真工具等重要内容。图2对光芯片设计、集成电路设计、光电分离设计以及光电融合芯片设计四种不同类型的设计进行了对比。集成电路设计工程师借助计算机设计软件不断进行设计迭代，直至满足预期设计要求，如图2(a)所示。如图2(b)所示，光芯片设计也需在设计辅助软件帮助下通过反复迭代来满足设计要求。集成电路设计的重点是器件互连，光芯片设计以物理器件设计为主，并采用与集成电路设计不同的物理设计软件，其复杂度要远低于集成电路。对于分离设计的光电系统而言，通常会先完成光学部分设计，然后给出接口参数让电学工程师完成电学部分的设计。光学部分和电学部分之间近似可以认为是一种单项的交流，不存在充分互动，光学部分仅提供静态接口信息；同时光子部分和电子部分的颗粒度较粗，且彼此的内部信息均不对外公开。如图2(c)所示，在光电分离设计中，光子工程师根据调研情况提供电子工程师设计接口参数，然后由电子工程师按照接口参数完成电芯片设计，并进行设计验证。局部最优并不意味全局最优，即便能够实现最优的光芯片和电芯片，也无法保证分离设计的系统是最优的。对于融合设计的光电系统而言，光学部分和电学部分均以更小的颗粒度参与整个设计，同时两者之间存在充分的信息沟通和动态双向互动，从而能够从全局及动态视角以更小颗粒度进行部件互联，实现更粗颗粒度互联及仅凭改进物质制备无法实现的功能和性能。如图2(d)，在光电融合芯片设计中，设计人员借助光器件仿真模型可以实现光电协同仿真，支撑光电一体化设计。光电融合建模仿真工具是光电融合芯片设计的重要基础。相比光电融合设计，分离设计的局限性在于（1）电子工程师并不知道完整的光芯片信息，在信息不完整的情况下难以做出最优的电子芯片；（2）在分离设计中，电子工程师和电子工程师实际上是通过人工的方式进行反馈迭代，沟通成本高，且容易出错，同时难以应对光与电存在反馈互动的情况；（3）电子工程师和光子工程师均只知道部分信息，而稳定性理论的研究需要完整全局信息，这会阻碍稳定性控制理论的发展；（4）缺乏软件平台工具，设计效率低，且无法保证正确性。融合设计基于新兴的光子器件紧凑模型和光电协同仿真方法，从全局及动态视角以更小颗粒度进行光子器件与电子器件回路级互连，实现更粗颗粒度器件互连及仅凭改进物质制备无法实现的功能和性能。 光电融合芯片最初是为了解决数据传输效率和速度瓶颈而发展起来的，其发起者大多是光器件和高速射频电路领域的研究人员。高性能光器件是发展光电融合芯片的基础，而要充分发挥高速光器件的性能，还需要配套的高速射频电路及模拟、功率与数字电路。具有光器件背景的研究人员通常专注于光电融合的物理制备，而具有集成电路背景的研究人员则更侧重于器件互连、系统设计等信息层面上的研究。近年来，光电融合技术的应用范围不断扩展，并被引入到计算、传感等研究领域。 4.1光电融合芯片国外发展历史 光电融合在2003年以后零星出现在不同期刊及会议发表刊物中。2003年7月亚琛大学研究人员在IEEE Photonics Technology Letters期刊[13]提到了“the convergence of microelectronics and integrated optics”一词，但是没有对该术语进行进一步的阐述。2004年德国文章[14]提到SOI是光电融合的潜力平台（A promising platform for the convergence of microelectronics and photonics），但没有对光电融合的定义做进一步阐述。2004年6月，MITKimerling教授在加州三番的光放大器及应用大会上发表了标题为“Convergence of optics and electronics”的报告[15]。根据网络公开文献查找，这是目前为止最早以光电融合为标题的报告。2004年7月，日本科学家Kazumi Wada教授发表了标题为“Electronics and photonics convergence on Si CMOS platform”的报告[16]。Wada教授先后在NTT公司及MITKimerling教授研究组任职，于2004年加入东京大学任教授。2004年Intel公司首次实现了突破1Gbps速率的硅基马赫增德尔调制器[17]。2005年Michal Lipson教授研究组展示了第一个突破1Gbps的硅基微环调制器[18]。2005年美国DARPA启动了光电全集成EPIC项目[10]。2006年Luxtera研究人员展示了光电全集成的收发芯片[19]，实现了单通道10G速率的光电全集成芯片。2008年美国DARPA资助了由Sun Microsystems牵头的Ultraperformance Nanophotonic Intrachip Communications (UNIC)项目，后续演化成2010年的Photonically Optimized Embedded Microprocessors (POEM)项目。2008年11月，MITKimerling教授在在夏威夷举办的第五届硅材料高级科学与技术国际研讨会上发表了题为“Electronic-Photonic Convergence on Silicon”的文章[20]。2012年Luxtera研究人员[21]实现了不同光子器件的Verilog-A建模，为光电协同仿真提供了一种可行的方法。2014年Boise State University研究人员采用Verilog-A实现了马赫增德尔调制器建模，并实现了光电联合仿真[22]。2015年美国MIT, Berkeley等联合团队在nature杂志发表文章，展示了CPU芯片的光互联原型，并基于该成果成立了Ayar Labs公司推动研究的产业化。在传感领域，美国USC[23]、Caltech[24]、Berkeley[25]等团队相继展示了光电融合集成的相控阵激光雷达芯片。2022年UCSB John Bowers教授在DesignCon会议上提到了硅光和电子集成回路的融合[26]。 继美国、日本后，欧洲国家也发起了光电融合相关研究工作。奥地利在2013年启动了3d封装集成的光电融合研究项目[32]。英国南安普顿大学光电子研究中心获得了2016年英国工程物理科学研资局的光电融合平台项目资助[33]，Reed教授为该项目的负责人。2016 IMEC与鲁汶大学联合研发团队实现了一款光电融合集成的微环调制器波长锁定芯片[34]。2016年荷兰埃丁霍温技术大学启动了针对太赫兹应用的光电融合技术项目[33]。2019年英国剑桥大学和伦敦大学学院启动了光电融合相关人才培养的项目[35]。 4.2 光电融合芯片国内发展历史 光电融合芯片一词首先出现在华科研究团队2019年的文章[11]，在此文章中光电融合芯片和光电融合集成回路可以替换使用。根据国务院学位委员会相关文件，集成电路常被简称为芯片，因此光电融合集成回路可以被简称为光电融合芯片。光电融合芯片可以分为制备、设计、封装等不同的研究内容。光电融合芯片设计是指通过光子器件和电子器件的互连来实现特定的功能和性能。该文对光电融合进行了系统性阐述，给出了光电融合的层次化演化过程，指明了光电融合正处于器件集成向回路设计转变的发展趋势。参照集成电路发展经验，该文提出了光电融合从器件集成到回路设计的演化路线图。国家层面在该领域的第一个项目是2019年国家重大研发计划“纳光子器件及光电融合集成基础”，该项目由北京大学牵头，华中科技大学及南京大学参与。2021年华科研究团队提出了热光闭环反馈的统一模型，并给出了不同光参数热调反馈的原理图[41]，指明了该领域重要的研究问题。2021年半导体所和武汉邮科院联合团队基于分段式马赫增德尔硅光调制器实现了集总式驱动芯片，更进一步地推动了光与电的深度融合。2022年华科研究团队从信息第一性原理出发，推导出可扩展光电融合系统的超构回路三要素[42]。基于超构回路三要素，并参照集成电路发展经验，华科研究团队进一步阐明了光电融合集成回路技术演化路线图，并就稳定和振荡两个要素指出了光电融合集成回路的重要功能模块，指明了该领域未来的研究方向。 5. 光电融合芯片未来展望 5.1 光电融合芯片设计将发展成类似集成电路设计的独立研究领域 虽然集成光子和集成电路设计均是光电融合芯片设计的基础，但是国际上相关研究组均是基于集成电路基础开展光电融合芯片设计研究工作的。原因在于，集成光子和光电融合芯片设计在内容、方法、理论基础等诸多方面均有很大差别，两者之间不存在继承发展关系，而集成电路设计的研究基础和发展经验则能够很好地被光电融合芯片设计所继承发展。集成光子主要关注光子器件相关内容，基于半导体物理基础，采用物理设计工具完成器件设计，并通过半导体制备工艺进行加工，最终得到满足一定性能指标的物理实体。虽然集成光子是光电融合芯片设计的物质基础，但是其无法直接指导光电融合芯片设计研究。如果从集成光子基础发展光电融合芯片设计，则需要重新造轮子打造集成电路设计方法及基础设施。光电融合芯片设计和集成电路设计两者在研究目标、理论基础、设计方法及设计工具方面存在很多相似性，光电融合芯片设计不仅可以继承集成电路设计方法，也可以借鉴集成电路的紧凑建模方法及设计自动化工具。集成电路设计和光电融合芯片设计均研究通过器件互连来实现特定功能，也都采用辅助设计软件来完成规模化设计。两者的主要区别在于，集成电路仅仅涉及电子器件的互连，而光电融合芯片则涉及光子和电子两种不同器件的互连。集成电路设计通常只需要知道器件的紧凑仿真模型，再通过行为级模型完成器件之间的互连，而不用过度关心器件内部机理和实现过程。类似集成电路设计，未来光电融合芯片设计只需要知道光子器件和电子器件的紧凑仿真模型，而无需过多关心其内部机理和实现过程。光子器件紧凑模型、工艺厂PDK以及光电协同仿真等在发展初期并不完善，需要设计人员具备一定的集成光子基础甚至一定的集成光子设计能力。当光电融合芯片设计逐步形成明确成熟的分工，其整个设计流程会变得和集成电路设计非常相似，设计门槛也会大幅降低，不再需要设计人员具备太多底层光器件知识。但是在尚未有成熟的光子器件紧凑仿真模型之前，掌握相关集成光子知识仍然是必要的。 6.小结 参考文献： [1]B. E. A. Saleh and M. C. Teich,Fundamentals of photonics. john Wiley & sons, 2019. [2]G. Lifante,Integrated Photonics: fundamentals, vol. 90. 2004. [3]S. E. Miller, “Integrated optics: An introduction,”Bell Syst. Tech. J., vol. 48, no. 7, pp. 2059–2069, 1969. [5]J. W. Goodman,International Trends in Optics. Elsevier, 1991. [6]C. P. Lee, S. Margalit, I. Ury, and A. Yariv, “Integration of an injection laser with a Gunn oscillator on a semi-insulating GaAs substrate,”Appl. Phys. Lett., vol. 32, no. 12, pp. 806–807, 1978. [7]R. A. Soref, “Silicon-based optoelectronics,”Proc. IEEE, vol. 81, no. 12, pp. 1687–1706, 1993. [8]A. H. Gnaucket al., “Four-Channel WDM Transmission Experiment Using a Photonic-Integrated-Circuit Transmitter,” inOptical Fiber Communication, 1990, vol. 53, no. 9, p. PD26. [10]N. D. Heidel, N. G. Usechak, C. L. Dohrman, and J. A. Conway, “A Review of Electronic-Photonic Heterogeneous Integration at DARPA,”IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 22, no. 6, pp. 482–490, 2016. [11]谭旻, 明达, and 汪志城, “从光子集成迈向光电融合集成回路： 以微环波长锁定为例,” vol. 1, no. 3, pp. 40–55, 2019. [12]J. W. Goodman, F. J. Leonberger, Sun-Yuan Kung, and R. A. Athale, “Optical interconnections for VLSI systems,”Proc. IEEE, vol. 72, no. 7, pp. 850–866, 1984. [13]A. Vörckel, M. Mönster, W. Henschel, P. Haring Bolivar, and H. Kurz, “Asymmetrically coupled silicon-on-insulator microring resonators for compact add-drop multiplexers,”IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 15, no. 7, pp. 921–923, 2003. [14]J. Niehusmann, A. Vörckel, P. H. Bolivar, T. Wahlbrink, W. Henschel, and H. Kurz, “Ultrahigh-quality-factor silicon-on-insulator microring resonator,”Opt. Lett., vol. 29, no. 24, p. 2861, 2004. [15]L. Kimerling, “Plenary - Convergence of optics and electronics,” inOptical Amplifiers and Their Applications/Integrated Photonics Research, 2004, p. JWA1. [16]K. Wada, “Electronics and photonics convergence on Si CMOS platform,”Optoelectron. Integr. Silicon, vol. 5357, p. 16, 2004. [17]A. Liuet al., “A high-speed silicon optical modulator based on a metal–oxide–semiconductor capacitor,”Nature, vol. 427, no. 6975, pp. 615–618, Feb. 2004. [18]Q. Xu, B. Schmidt, S. Pradhan, and M. Lipson, “Micrometre-scale silicon electro-optic modulator,”Nature, vol. 435, no. 7040, pp. 325–327, May 2005. [19]Andrew Huanget al., “A 10Gb/s photonic modulator and WDM MUX/DEMUX integrated with electronics in 0.13/spl mu/m SOI CMOS,” in2006 IEEE International Solid State Circuits Conference - Digest of Technical Papers, 2006, pp. 922–929. [20]L. C. Kimerling, “Electronic-Photonic Convergence on Silicon,” pp. 1–7, 2008. [21]T. Aalto, S. Arpiainen, M. Harjanne, M. Kapulainen, and S. Ylinen,Silicon photonics for telecommunications and biomedicine, no. 255. 2012. [22]K. Zhu, V. Saxena, and W. Kuang, “Compact Verilog-A modeling of silicon traveling-wave modulator for hybrid CMOS photonic circuit design,”Midwest Symp. Circuits Syst., pp. 615–618, 2014. [23]H. Abediasl and H. Hashemi, “Monolithic optical phased-array transceiver in a standard SOI CMOS process,”Opt. Express, vol. 23, no. 5, p. 6509, 2015. [24]R. Fatemi, A. Khachaturian, and A. Hajimiri, “A Nonuniform Sparse 2-D Large-FOV Optical Phased Array With a Low-Power PWM Drive,”IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 54, no. 5, pp. 1200–1215, 2019. [25]T. Kimet al., “A Single-Chip Optical Phased Array in a Wafer-Scale Silicon Photonics/CMOS 3D-Integration Platform,”IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 54, no. 11, pp. 3061–3074, 2019. [26]J. E. Bowers, “Convergence of Silicon Photonic and Electronic Integrated Circuits for High Capacity Copackaged Electronics.” [27]Y. Urinoet al., “First demonstration of high density optical interconnects integrated with lasers, optical modulators and photodetectors on a single silicon substrate,”Opt. InfoBase Conf. Pap., vol. 19, no. 26, pp. 159–165, 2011. [28]K. Takedaet al., “Comprehensive photonics-electronics convergent simulation and its application to high-speed electronic circuit integration on a Si/Ge photonic chip,”Opt. Metro Networks Short-Haul Syst. VII, vol. 9388, no. February 2015, p. 938806, 2015. [29]T. Umeki, O. Tadanaga, and T. Kazama, “Photonics-electronics Convergence Design for Digital Mock-up,” no. 2. [30]S. Mutoh and H. Takenouchi, “Feature Articles : Photonics-electronics Convergence Hardware Technology for Maximizing Network Performance R & D Trends in Convergence of Photonic and Electronic Hardware for Network Innovation,” 2018. [31]K. Takeda, K. Honda, H. Nosaka, H. Fukuda, and T. Yamamoto, “Photonics-electronics Convergence Design for Digital Mock-up,” vol. 14, 2016. [32] “Synergetic Convergence of Photonics and Electronics through Efficient 3D Chip Integration.” [Online]. Available: https://www.pheliciti.at/.[34]S. Agarwal, M. Ingels, M. Pantouvaki, M. Steyaert, P. Absil, and J. Van Campenhout, “Wavelength Locking of a Si Ring Modulator Using an Integrated Drop-Port OMA Monitoring Circuit,”IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 51, no. 10, pp. 2328–2344, 2016. [36]王启明, “展望21世纪Si基光子学的发展.” [37]陈弘达等, “微光电子集成芯片及其应用.” . [38]黄北举等, “硅基光电子与微电子单片集成研究进展,”微纳电子与智能制造 Micro/nano Electron. Intell. Manuf., vol. 1, no. 3, 2019. [39]Z. Zhanget al., “Monolithic Integration of Si3N4 Microring Filters With Bulk CMOS IC Through Post-Backend Process,”IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 27, no. 14, pp. 1543–1546, 2015. [40]H. Zhanget al., “Monolithic Integration of CMOS Temperature Control Circuit and Si3N4 Microring Filters for Wavelength Stabilization within Ultra Wide Operating Temperature Range,”IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 26, no. 2, 2020. [41]M. Tanet al., “Towards electronic-photonic-converged thermo-optic feedback tuning Towards electronic-photonic-converged thermo-optic feedback tuning,”J. Semicond., vol. 42, no. 2, 2021. [42]M. Tan, Y. Wang, K. X. Wang, Y. Yu, and X. Zhang, “Circuit-level convergence of electronics and photonics: basic concepts and recent advances,”Front. Optoelectron., vol. 15, no. 1, p. 16, Dec. 2022. [43]张新全 and 余少华, “光电融合破解带宽、能耗难题,” 2021. [44]邹卫文, 马伯文, 徐绍夫, and 邹秀婷, “面向信号与信息智能处理的光电融合与集成技术,”Hongwai yu Jiguang Gongcheng/Infrared Laser Eng., vol. 50, no. 7, pp. 2019–2021, 2021. 附件：中英文术语对照表 Optics 光学 Electro-optics 电光子学 Photonics 光子学 Optoelectronics 光电子学 Quantum Electronics 量子电子学 Quantum Optics 量子光学 Lightwave Technology 光波技术 Electronic-Photonic Integrated Circuits (EPIC) 光电全集成回路 Opto-Electronic Integrated Circuits (OEIC) 光电子集成回路 Photonic Integrated Circuits (PIC) 光子集成回路 Electronic-Photonic Heterogeneously-converging Integrated Circuits (EPHIC) 光电融合集成回路或光电融合芯片 Electronic-Photonic Converging Integration (EPCI) 光电融合集成 Electronics-Photonics Convergence (EPC) 光电融合 | 
