硅基光电子学的发展

所谓硅基光电子学，就是研究如何利用硅或与硅工艺兼容的其他材料，开发以光子、电子为载体的微纳量级信息功能器件，并将它们在同一硅基底上大规模集成，形成一个完整的具有综合功能的新型芯片单元。

学科所涉及的领域包括衍射和纳米光学、超快速光通信、表面等离子体理论与技术、半导体器件物理、半导体器件工艺、材料能带工程、集成传感技术、纳米科学与技术、微纳加工及集成技术等。

之所以选择硅作为光电子器件的材料平台，是因为以硅为主导的微电子技术在过去半个世纪中取得了举世瞩目的成就，目前人们对于硅及其衍生物各种特性的了解，已经居自然界所有元素之首。硅材料具有如下优势：

1.硅片尺寸大，机械性能好，加工方便，相比其他材料成本更低

2.折射率大，具有良好的波导特性

3.通信用波长传输透明

4.硅基光电子工艺与先进的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容，具有丰厚的工艺技术积累。

5.绝缘体上硅（silicon on insulator，SOI）在光学上具有很好的导光性质，在电学上具有很好的抗辐射性能。

20世纪70年代，最早的集成光学回路就已经开始被提出，但是早期的工作都是基于铁电物质LiNbO3和Ⅲ-Ⅴ族化合物，LiNbO3具有很大的电光系数可以通过泡克耳斯（Pockels）效应实现快速的光调制，而Ⅲ-Ⅴ族化合物在实现激光器、光放大器等方面具有非常好的性能，一直以来它们都吸引着众多研究者极大的兴趣。

尽管如此，硅材料在半导体微电子应用中的主导作用以及在其集成方面的潜在优势，最终引发了研究者开展基于硅基光电子集成回路的研究工作。

从20世纪80年代中期至今一直在持续并发展着，开始的时候并没有受到很大的关注，这是由于硅为间接带隙半导体，载流子直接跃迁复合的发光效率很低，这意味着不可能用常规手段在硅上做出高效率的发光器件；其次，硅具有中心反演对称的晶格结构，不存在直接电光效应，其载流子迁移率比GaAs中低的多，限制了硅基光电子器件向更高的工作频率和速度发展。正是这两大缺点，使得人们最初并不看好硅在光学和光子学领域的前景，硅基光电子学并没有得到什么发展，但近些年，一些硅的新物理现象的发现引发了人们研究硅基光电子学的热潮。

1987年，Soref和Bennett研究发现材料中自由载流子的注入在调制机制上具有潜在的应用，通过改变载流子的浓度能改变硅的折射率，这就是等离子体色散效应。由于硅材料不具有线性光电效应，所以一般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设计的。

硅的热光效应是指其折射率岁材料温度的高低而变化，而等离子色散效应是指硅的折射率和对光的吸收系数随材料中载流子浓度而变化。

当利用热光效应对光进行调制时，由于牵涉到热的扩散过程，其调制效率较低，因而调制频率很难达到1MHz以上，故高速率的调制器件一般采用等离子体色散效应进行工作。

2004年，Intel公司在《自然》（Nature）杂志上报道了调制带宽超过1GHz的硅基高速光波导调制器，它将器件的调制方式从常规的电流调制转化为电压调制，从而实现对光的相位进行快速调制。

2009年，Lipson等使用微环波分复用结构实现了50GHz的调制速率。

2023年，北京大学电子学院王兴军教授、彭超教授、舒浩文研究员联合团队在超高速纯硅调制器方面取得突破，实现了全球首个电光带宽达110GHz的纯硅调制器。这是自2004年英特尔在《自然》期刊报道第一个1GHz硅调制器后，国际上首次把纯硅调制器带宽提高到100GHz以上，相关研究成果以《110GHz带宽慢光硅调制器》为题在线发表于《Science Advances》。