问题描述：

该技术通过CMOS兼容工艺在硅芯片上实现光电子功能器件和微电子集成电路的系统化集成，促进光电子与微电子进一步深度融合、协同发展和架构革新。超高速、智能化、低功耗的硅基光电子芯片将成为光通信、5G、数据中心、超级计算、人工智能、消费电子和传感等重要领域的关键使能技术。

问题背景：

信息光电子作为信息化社会的“主动脉”，承担着数据传递和互联的重要功能。因此信息光电子芯片已然成为“数字化新基建”的核心和基石，也是全球信息通信价值链的关键领域和网络强国建设的“国之重器”。近年来光通信/光互联、光传感/光测量、光计算/光处理等技术的快速发展和广泛应用，带动了对光电子芯片的海量市场需求。

相比于由分立器件构建光电子系统，光电子芯片在尺寸、性能、成本、能耗以及集成性、可靠性、扩展性等方面都具有无可比拟的突出优势。特别是，伴随着微电子技术的发展，硅光子集成应运而生，以其CMOS兼容、高集成度等突出优势成为新兴的光子集成主流技术。业界将其公认为光电子集成和光电子融合的理想技术平台。

最新进展：

从世界范围看，硅光芯片的研究主要在美国，以Intel、Cisco（收购Luxtera、Acacia）、GlobalFoundries（收购IBM半导体）、Nokia（收购Elenion）为代表的公司已经在不断推出商用级硅光芯片和模块产品，在数据中心和相干光传输等市场取得了成功。目前Cisco公司旗下的Acacia以其高性能的100G/200G/400G硅光芯片和DSP系列产品占据了全球相干光模块约30%以上的市场。而Intel依靠其对硅光芯片20年的长期投入，在数据中心光模块市场中占领了绝大部分份额。与此同时，美国Intel、Google、Ayar labs、日本PETRA等公司正在推动硅光芯片与FPGA/CPU/ASIC等高性能微电子芯片的融合，验证了可与高性能处理器和交换芯片一体化集成的硅光I/O技术。以上硅基光电子芯片的进展为下一代微电子芯片打破互联墙，实现性能持续升级提供了有力支撑。

我国目前硅光产业化还处于产业化早期阶段，华为、中国信科集团、海信、亨通和旭创等企业已经展开硅光产业化工作。2018年，中国信科集团成功实现了100G硅光产品的商业应用。2019年，中国信科与国家信息光电子创新中心完成了400G硅光收发芯片以及Pb/s硅基光传输技术的联合验证。但总体来讲，国内在硅光产业的整体技术水平和产品工程化能力与国外还有较大差距。实现硅光芯片与微电子芯片的融合

存在的问题与挑战：

目前光电子片上系统芯片的集成规模仍受限于器件设计及制备工艺等方面，亟待开展新结构、新材料及新工艺研究以进一步突破，并探索其新应用。主要问题包括以下几方面：

1) 缺乏适用于大规模集成的光电子单元器件完整体系。目前，光电子单元器件研究大多属于单点突破，整体统筹缺乏，在器件性能、功耗和尺寸等方面难以适应大规模集成发展需求。因此，亟需从片上系统角度出发，构建协同设计平台，在结构和工艺兼容的前提下，实现更小尺寸、更低功耗、更高性能、更大容差的单元器件，建立完整完备的先进光电子器件库，以进一步推进新一代光电子片上系统的发展。

2) 光电子片上系统芯片制备工艺能力和基础积累薄弱。我国微纳光电子器件及芯片加工精度、良率控制、芯片可靠性和PDK开发等方面均与国外顶尖水平存在较大差距，特别是硅基多材料体系方面技术基础更为薄弱，远未达到量产要求。亟需针对大规模集成光电子片上系统需求，开展异质异构集成先进工艺及其兼容性和特殊性研究，发展更高良率的高水平硅基多材料体系光电子器件制备工艺和加工平台。

3) 光电子片上系统芯片架构及设计自动化能力不足。面对层出不穷的各种新应用，随着光电片上系统复杂度日益增长，芯片架构设计的重要性日益凸显，特别是智能布局与布线等自动化设计成为其关键技术。亟需开展光电融合芯片架构研究和探索，研究面向光通信、高性能计算、量子、微波光子等重要应用的新一代光电子片上系统，以抢占下一轮芯片技术的制高点。

4) 光电子片上系统芯片封装及调控技术不完善。未来光电子片上系统光口和电口数量将超过现有光电子芯片100倍以上，其封装技术极具挑战，既要实现高频、高密度、低串扰的光学/电学连接，还要保障整体性能及可靠性。亟需研究光电融合整体布局与封装方法，并探索其系统调控技术，补偿工艺偏差、温度、串扰等随机因素影响。

重要意义：

硅基光电子芯片技术即可应用于芯片级光互连，又适用于长距离光纤通信，可实现全功能光电子集成，具有极高的通用性和兼容性，是微电子和光电子两大产业公认的发展方向。

随着社会信息化智能化的发展，硅基光电子片上系统芯片将在更广阔的应用领域发挥重要作用，特别是信息领域的光通信/光互联、光传感/光测量、光计算/光处理等技术领域全面发挥核心作用。发展超大容量超低能耗的新一代可重构多维度光通信/光互联技术、多参量多尺度的高灵敏度光测量与光传感技术、超大规模的智能化光计算/光处理技术是其重要趋势。

此外，利用国内现有微电子产业资源和CMOS制造平台，建立健全硅光产业链，可以有效提升我国信息光电子的制造能力，缓解光电子芯片制造工艺的“卡脖子”困境，为我国信息化新基建提供有力支撑。