量子计算的关键角色！硅光子技术在先进计算的挑战 | 李佩雯教授 台湾阳明交通大学电子研究所

硅光子 (Silicon Photonics) 是一项将光通讯技术应用于半导体集成电路的创新科技领域。硅光子芯片运作原理主要利用「光讯号」取代传统的「电讯号」，在本质上即具备大带宽、高运算密度、低功耗和抗干扰能力等优异特点，因此被视为实现高效运算的最佳解决方案。近年来，随着云端计算和人工智能 (AI) 两大应用市场规模迅速增长，促使硅光子技术成为全球产学界关注焦点、并取得突破性之研究进展。

Intel 是最早实现硅光子商业化应用的厂商，其早在 2012 年就已设立专属事业部投入布局，并在 2016 年开始大规模出货。而 2022 年 6 月，Intel 也成功展示了在硅芯片上整合控制八波长激光阵列的先进研究成果。IBM 则是于 2012 年底时就已经开发出90 nm的纳米硅光子集成电路芯片，把光路与电路整合在单一芯片上。2017 年时，知名硅光子公司 Luxtera 宣布与晶圆代工领导厂商 TSMC 共同发展下世代的硅光子技术。此外，根据外媒报导，荷兰政府也将投资 11 亿欧元促进新一代硅光子技术企业发展，为打造下一个 ASML 作准备。Yole Developpement 估计，硅光子光模块市场将从 2018 年约 4.55 亿美元成长到 2024 年约 40 亿美元，年复合成长率高达 44.5%。

依据 Open AI 统计，自 2012 年起，每 3～4 个月 AI 应用的运算力需求就会翻倍。然而，当前的半导体芯片发展已逼近摩尔定律极限，无法满足未来高效能运算之要求。而传统的光模块也因成本过高、且体积过大，难以作规模化应用。硅光子芯片能够在较低成本的前提下，有效提高数据中心内的计算机集群、服务器乃至芯片间的通讯速度与效率，提供符合期待的强大运算力。2022 年 11 月时，日月光执行长吴田玉在 SEMICON TAIWAN 预告未来 4 大科技趋势，其中一项就点名「硅光子」。而根据产业分析预测，数据中心将会是硅光子第一波应用发展的主要竞争市场，预计未来 3 年内，硅光子芯片将广泛应用在大型数据中心的高速信息传输。为了取得硅光子市场之技术领先优势，包括 Intel、IBM、Google、Facebook、Cisco、Marvell、Huawei、Mellanox、Luxtera、Acacia、Finisar、Avago 等知名大厂，近年来皆加大相关研发投资力道与产能布建，期能在未来的「硅光时代」位居要角。

随着硅光子技术发展朝多元面向推进，其应用领域也在持续扩大当中。除了可使用于数据中心外，硅光子芯片还可应用在例如光学雷达 (LiDAR)、光纤陀螺仪、生物医学感测、AI 系统等需要复杂光路之产品或设备。而近年当红的量子计算，未来也是硅光子的重要发展领域之一。硅光子技术应用在量子光学方面，可望促进量子计算硬件的实用化进展，解决其常温运作的离子阱 (Ion Trap) 量子位元在「操控」以及「读取」之技术瓶颈。透过可以与离子阱量子位元芯片整合的硅光子芯片、及其周边 CMOS 电路，不仅可消除光学元件于自由空间中的抖动、漂移、和电噪声，且无须解决光纤过长、或复杂光学元件相互对准等问题。此对于扩充量子位元数目及提高离子阱量子位元之读取保真度等未来发展，具有备受瞩目的应用潜力。

闳康科技研发中心处长 陈弘仁 2023/8/30

量子计算的关键角色！硅光子技术在先进计算的挑战

台湾阳明交通大学 电子研究所

李佩雯 教授

 （本篇由李佩雯教授提供、闳康科技修编）

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硅光子技术整合 20 世纪半导体科技两个最重要的发明：CMOS 集成电路和半导体雷射，能以前瞻又成熟的硅量产技术制造之，提供多元化的功能应用，例如：5G 无线通信、汽车、医疗，甚至是物联网多元功能性的传感器，如：光达 (LiDAR)、陀螺仪等[1]。硅集成光子技术倍受瞩目的另一项原因是，能以光连接来弥补芯片内高度微型化金属电连接所衍生的严重延迟与耗能窘境，这是因为长久以来，微缩芯片内电晶体或金属电连接的特征 (长 / 宽度)、提高集成密度等 Dennard Scaling 措施，已经面临严峻且难以突破的物理瓶颈。即使可使用多核心处理器的平行运算来提升计算器系统的效能，但终将难以突破能源效率墙 (Energy Efficiency Wall)[2]。

理想的硅光子集成光路，是在硅平台上同质或异质整合光源、功能性传感元件、光 / 电讯号转换元件、光波导等，实现光互连芯片、处理器或传感等多元模块。尤其是，将硅光子芯片与硅 CMOS 集成电路高度整合成光电混合集成芯片，可望大幅达成提升数据处理速率、降低功耗、微缩芯片面积、节省数据位元成本，以及改善可靠性[3]。

由于硅光子集成电路技术在数据中心、5G 通讯等范畴展现了具体强大的商机，引起了许多欧美公司与研究机构的兴趣，如：IBM、Intel、Cisco、STM及 CEA / Leti、IMEC、AIM Photonics、IME 等，早已纷纷进行硅光子芯片的研发与技术布局，以持续提升芯片内 (Intra-Chip) 数据处理的速度与带宽。Google、Apple、Meta、Amazon 和 Microsoft 等公司也积极开发高效率的硅光连接技术，建置短距离数据中心内部 (850nm 雷射与多模光纤)，以及长距离数据中心之间 (1310nm 雷射与单模光纤) 的光互连。

硅光子技术不仅能改善传统经典计算之运算速率、增进数据中心传输的效能，更可望促进量子计算硬件技术的实际发展。就得以在常温运作的离子阱 (Ion Trap) 量子位元而言，一般多是使用光学桌上的光或微波讯号，远程操控位于真空腔体内的离子阱量子位元[4]。在读取离子阱量子位元的量子态讯息时，则是透过光学桌上高孔径值透镜聚焦到单光子侦测器。在常温、真空的环境，验证已达成了离子阱量子位元的功能性，为实用型的量子计算提供了乐观的希望。但是，在扩充量子位元数目、提升实际初始化 / 操控 / 检测量子态的保真度等方面，离子阱量子技术仍面临许多实质技术的困难与挑战[4]。

关于「操控」及「读取」离子阱量子位元所需的光学元件 / 光电子元件，其技术瓶颈简述如下：

1.需要使用射频与直​​流高电压来调控离子运动的诱捕电位，因此注入的电力势必会耗散在诱捕电极，加热离子阱位元，破坏量子状态的保真度。

2.目前离子阱量子位元的运作情境是，操控及读取的光学元件与电子电路被安置在常温的光学桌上，而离子阱量子位元芯片则处于低温真空腔体内，两者以复杂的光纤与电缆连接之。碍于机械振动 / 热噪声及周遭环境的扰动，光学元件彼此间对准的精确度往往会遭受低频抖动与温度漂移等干扰，劣化了量子位元芯片长期操作的稳定性与保真度。

3.需要使用大型的高数值孔径透镜，来聚焦雷射光源于某一定点的单一离子，或收集来自于某特定离子自发散射的少数颗光子于单光子侦测器。但是，位于光学桌上的透镜、雷射光及光侦测器等遭受对准与耦合噪声 / 时间漂移等所扰，操控 / 读取的保真度仍待改善。

综上所述，目前可使用的光学元件如光源、光纤与单光子侦测器等，大多是放置在自由空间的光学桌上。但复杂的光学元件与光纤之间的对准及机械振动 / 热噪声等环境扰动，产生许多额外的噪声源，大大限制了离子阱量子位元的数目扩充性及保真度。因此，迫切地需要研发能与离子阱量子位元芯片整合的硅光子芯片 (如：光波导、光调制器、光侦测器) 以及周边 CMOS 电路[3]。

理想的情境是，在真空环境中，雷射光源就近以光波导直接连接离子阱量子位元，直接操控、冷却离子阱。同时也以光波导连接单光子侦测器，就近读取离子阱量子位元的量子态讯息后，直接输出到 CMOS 集成电路，进行后续的讯号处理。如此一来，不仅可以消除自由空间中光学元件的抖动 / 漂移、无所不在的电噪声，更可以免除过长的光纤及复杂的光学元件之间对准的问题，对于「扩充」量子位元数目以及「提高」离子阱量子位元的读取保真度有莫大的帮助。

硅光子元件技术的研究发展已逾三十年，最初硅光子的研发主要是针对通讯或经典计算等应用，开发的硅光连接技术 (光波导、光调制器、光侦测器甚至光源等组件)，着重于处理高速、高带宽、高响应度或是高瓦数的光 / 电讯号，以供通讯应用；至于要操控或读取离子阱量子位元的硅光子元件，则必须能够处理低噪声、低暗电流或是极低瓦数 (少数颗光子) 的近紫外线或可见光讯号，甚至必须能在低温环境下稳定运作。以下针对离子阱量子位元应用，择要说明硅光子元件的关键技术需求与技术挑战。

常用来操控离子阱量子位元的雷射光源波长范围约为 300-2000 nm，涵盖近紫外、可见光及近红外光谱。可惜的是，目前硅光子技术中常用的硅光波导，在紫外与可见光波段的吸光率很高，光学性质损耗大，不适用于离子阱量子位元技术。反倒是氮化硅 (Si3N4) 光波导在紫外-可见波长段范围是透明、不吸光的、光学损耗低[5,6]。幸运的是，氮化硅是 CMOS 制程技术之中常用的绝缘层、间壁层、护层等材料，可以使用常规的化学气相沉积 (CVD) 制程方法沉积之，也可依实际应用所需，微调化学气相沉积的制程配方，调整氮化硅的化学组成 (如：SixNy 甚至是 SiOxNy 薄膜) 及折射系数，有助于调变氮化硅光波导的模态数目、光局限及传输损耗等。由于氮化硅光波导可以弥补硅光波导无法涵盖的可见光 (400-1000nm) 波段，近年来已经成为各种实验芯片之最佳平台，尤其是量子通讯 / 计算[7]。

2020 年苏黎世联邦理工学院[8]报导，离子阱芯片与氮化硅光波导整合于一体的离子阱量子逻辑闸，是以单模光纤将 729 nm 可见光射入氮化硅光波导，传递给位于真空、低温环境的离子阱芯片。此法可以免除光学桌上光学对准、机械振动与光束点漂移的困扰，改善量子逻辑闸的保真度。但是其展示的离子阱芯片尚未与光调制器、单光子侦测器等硅光子主动元件整合，这是因为锗或硅锗在氮化硅膜上的结晶成核蛰伏时间很短，在氮化硅薄膜上，难以选择磊晶成长的方法，成长高质量的单晶锗或硅锗薄膜，故无法再继续制作硅光子主动元件。虽然可以使用 (1) 晶圆键结 (Wafer Bonding) 的方式，在氮化硅平台上键结 SOI 后，再磊晶成长光主动层–锗或是硅锗薄膜[13]，或仿照 (2) STM、IHP 公司与多伦多大学在 SOI 平台上制作硅锗调制器与锗光侦测器之后，再沉积 PECVD 氮化硅膜，经 CMP 磨平后，制作顶层氮化硅光波导[9-11]。但是，后者提出的顶层氮化硅光波导的制程做法，甚难再继续执行氮化硅去氢化或致密化的高温退火制程，无法降低氮化硅光波导内部的缺陷数。因为此举会导致位于底部的光主动区：硅锗与锗磊晶薄膜的晶格松弛，造成光学主动元件的性能劣化。迄今在氮化硅光平台上，单石积体整合锗 / 硅锗高速光调制器[9]、高速光侦测器[10,11]及雷射光源[12]的文献报导甚少。因此，在氮化硅平台上制作光主动元件、整合光主 / 被动元件是重要的研究议题。

量子位元的量子态讯号非常微弱，且易受周遭环境的噪声干扰，故需要可以直接「内置」单光子侦测器，快速、精准地就近直接读取与侦测离子阱量子位元的少数几颗光子数目变化。最好能直接以氮化硅光波导连接单光子侦测器与离子阱量子芯片，尽量减少收集与侦测光子的串扰，还能进一步扩展与测量大型离子阱量子位元阵列的可行性。一般而言，离子阱量子位元发射的光子波长大多是 300–500nm。但是目前技术最成熟的硅雪崩光电侦测器可侦测850 nm的光，无法直接侦测离子阱量子位元的状态。

美国 NIST 研究人员使用自制的内置「超导」单光子侦测器，无需使用成像镜头和相机，即能以几近完美的准确度 (读取正确率超过 99.9%) 读取铍离子 (Beryllium Ion) 的量子状态[13]，但是「超导」单光子侦测器必须在接近绝对零度的环境才得以正常运作。由 NIST 的报导可知，为了有效提高检测效率及降低暗计数率，迫切需要与 CMOS 技术兼容的近紫外硅基单光子侦测器。而且，需要可以单石整合氮化硅光波导 / 光栅与硅基单光子侦测器，以进一步降低耦合损耗、噪声及扩展离子阱量子位元数量。

除了可与离子阱量子芯片整合的单光子侦测器之外，氮化硅光波导耦合的可见光源更是操控离子阱量子芯片的关键元件，但在硅基板上实现光源一直是硅光子技术的最大罩门。更遑论是能与氮化硅光波导整合的可见光光源，因为硅本身是间接能隙材料，发光效益非常低。长久以来，科学家及工程师不断地尝试以磊晶或芯片键结等技术在硅晶圆上成长铟化磷或锗等薄膜，但受限于晶格常数匹配及热预算等限制，无法制作高结晶质量及热稳定的发光材料。

陆续有文献报导，使用锗纳米结构如：量子井、量子线甚至量子点，可有效减缓在硅晶圆上成长单晶锗薄膜的缺陷问题，尤其凭借着量子局限效应，在狭小的锗量子点内，电子-电洞波函数的强烈重叠耦合大大地增进锗量子点的光学跃迁振荡强度，破除锗块材材料必须严格遵循能量-动量 (E-k) 守恒的魔咒。而且，调整单一材料锗量子点的直径大小，还可以调变发光能隙，发射出不同波长的光，突破了必须选用不同的块材材料来制作不同波长光源的限制。然而，单颗量子点的发光体积小，需要置放于共振腔内。当雷射光照射量子点 / 共振腔时，借由珀塞尔效应 (Purcell Effect) 可以快速增生量子点内的光激发光子数目，提高总体的发光质量因子。常用的量子点共振腔结构有光子晶体、微型碟、微型环。其中，锗量子点置放于光子晶体虽能创造极高的发光效益与质量因子[14]，但光子晶体腔体的结构，如：模板厚度、孔洞直径、周期及缺陷模态或模态的结构设计复杂，且必须使用先进的电子束微影系统，来曝写次微米级别孔洞 (直径或是周期) 的光子晶体阵列。此外，量子点光子晶体雷射通常是面射型发光，不利于芯片上 (On-Chip) 平面整合。

相较之下，微米级别微型碟或微型环共振腔的设计与制作相对容易，且发射共平面 (In-Plane) 光可与相邻的总线波导耦合，有利于芯片上的整合。微型盘共振腔主要将光场局限在圆盘状光密介质之中，在微型环共振腔的边缘，沿着圆盘碟的径方向达成共振，产生光纤回音廊模态 (Whispering Gallery Mode, WGM)。相较于光子晶体共振腔复杂的结构设计、需使用先进的电子束微影技术制作，微型盘共振腔结构在电极、波导的设计与制作更具有弹性与成本优势。

近年来欧美研究机构陆续报导，在悬浮硅、锗、二氧化硅或氮化硅微型碟共振腔中嵌入各种 (如：硅、锗、CdSe) 量子点，展示光激发微雷射 (Micro Laser)。法国 CNRS-Univ. 发表了一系列论文[15]，在砷化镓基板上，先磊晶成长 300-nm 厚 n+- 锗，微影蚀刻制作出悬浮锗微型碟后，再沉积氮化硅裹覆锗微型碟，形成伸张形变 n+-Ge 主动发光层，展示光激发锗微雷射。然而，采用锗在砷化镓上 (Ge-on-GaAs) 的作法，甚难转移至硅平台上。东京都市大学提出 P-I-N 锗量子点微型盘二极管[16]，可以与邻近波导耦合，以电激发光。但绝大多数量子点微型碟都是制作在 SOI 平台上，不适用于可见光光源。极需开发量子点 / 氮化硅微型碟可见光源，以顺利与离子阱量子芯片整合。

李教授实验团队于 2022 年旗舰型 IEDM 国际会议中报导，单石整合的氮化硅波导 (含：光栅耦合器与波导锥)、锗量子点微型碟光源及光子侦测器等元件，可供近紫外—可见光的离子阱感测应用，如图 1 所示。开发了与 CMOS 制程兼容制造锗量子点的方法，以单一步骤的选择性氧化，可以将位于氮化硅薄膜上的微影定义复晶硅锗柱，转化为内崁氮化硅的锗球状量子点，其最重要的特色是通过 900^oC 热氧化制备而成，因此具有高温热稳定性的优势，如图 2 所示。这种本质天生的热稳定性优势，为锗量子点光侦测器、光发射器开启了能与顶部或底部氮化硅波导以渐逝波耦合的可行性。

从元件制造和整合的角度观之，顶部波导耦合结构具有元件 (光侦测器及光发射器) 设计及三维整合材料选择方面的灵活性，顶部波导耦合结构可免除「波导」和「基板」必须是相同材料的需求。此自组氮化硅崁入锗量子点阵列结构方法，提供了氮化硅微盘发光器、PIN光侦测器与顶部或底部氮化硅波导单实整合的灵活度，与落实三维 PIC 整合的可行性。李教授实验团队所开发的锗量子点制作技术，系直接运用 CMOS 制程技术，具有极佳的制程掌控性及元件设计的工程化优势，能直接制作量子位元、单电子电晶体与光电晶体等，具有实用与产业化之可行性，有助于开拓量子计算、光连接等技术。

References：

[1]L. Vivien et al., “Building blocks of silicon photonics,” Semiconductors and Semimetals vol.101, 0080-8784 (2019) .
[2]B. Marr, B. Degnan, P. Hasler and D. Anderson, "Scaling Energy Per Operation via an Asynchronous Pipeline," in IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, vol. 21, no. 1, pp. 147-151, Jan. 2013, doi： 10.1109/TVLSI.2011.2178126.
[3]H. Hogan, “Data centers and more for Si photonics,” https：//www.photonics.com/Articles/Data_Centers_and_More_for_Silicon_Photonics/a64879
[4]K. Brown, J. Chiaverini, J. Sage, et al. Materials challenges for trapped-ion quantum computers. Nat Rev Mater 6, 892–905 (2021) . https：//doi.org/10.1038/s41578-021-00292-1
[5]D.J. Blumenthal et al., “Silicon Nitride in Silicon Photonics,” Proc. IEEE, vol.106, 12 (2018) .
[6]P. Munoz et al., “Silicon nitride photonic integration platforms for visible, near-infrared and mid-infrared applications,” Sensors, vol.17, 2088 (2017) .
[7]A. Orieux et al., “Recent advances on integrated quantum communications,” J. Opt., vol. 18, 083002 (2016) .
[8]Mehta, K.K., Zhang, C., Malinowski, M. et al. Integrated optical multi-ion quantum logic. Nature 586, 533–537 (2020) . https：//doi.org/10.1038/s41586-020-2823-6
[9]F. Boeuf et al., “A Silicon photonics technology for 400 Gbit/s applications,” IEDM Tech. Digest, pp. 775 (2019)
[10]S. Lischke et al., “Silicon nitride waveguide coupled 67GHZ Ge photodiode for non-SOI PIC and ePIC platforms,” IEDM Tech. Digest, pp. 779 (2019)
[11]W. Sacner et al., “Monolithically integrated multilayer silicon nitride-on-Si waveguide platforms,” Proc. IEEE, vol. 16, 2232 (2018)
[12]S. Bao et al., “Low-threshold optically pumped lasing in highly strained germanium nanowires,” Nat Comm. vol. 8, 1845, (2017)
[13]S. L. Todaro, V. B. Verma, K. C. McCormick, D. T. C. Allcock, R. P. Mirin, D. J. Wineland, S. W. Nam, A. C. Wilson, D. Leibfried, and D. H. Slichter, Phys. Rev. Lett. 126, 010501 (2021) . https：//doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.010501
[14]J. S. Xia, Y. Ikegami, and Y. Shiraki, “Strong resonant luminescence from Ge quantum dots in photonic crystal microcavity at room temperature,” Appl. Phys. Lett. vol. 89, 201102 (2006) .
[15]A. Ghrib, M. El Kurdi, M. de Kersauson, M. Prost, S. Sauvage, X. Checoury, G. Beaudoin, I. Sagnes, and P. Boucaud, “Tensile-strained germanium microdisks,” Appl. Phys. vol. 102, 221112 (2013)
[16]X. Xu, T. Maruizumi, and Yasuhiro Shiraki, “Waveguide-integrated microdisk light-emitting diode and photodetector based on Ge quantum dots,” Optics Exp., vol. 22, 3905 (2014)
[17]C. H. Lin, P. Y. Hong, B. J. Lee, H. C. Lin, T. George, and P. W. Li, “Monolithic integration of top Si3N4-waveguided germanium quantum-Dots microdisk light emitters and PIN photodetectors for on-chip ultrafine sensing,” IEDM Tech. Dig. pp. 451454, Dec. 2022.