定义
基于硅芯片的光子技术。
对于微电子领域的应用，近几十年来已经开发出一种基于硅芯片的极其强大的技术平台。这现在是复杂微处理器、大型存储器电路和其他数字和模拟电子设备的基础。随着绝缘体上硅技术的引入[3]，已经证明光子功能可以集成到该技术平台中，从而使硅基光子集成电路成为可能。在这里，不同类型的光学元件可以使用硅波导[1]相互连接。例如，这种电路可用于在电路板之间，电路板上的芯片之间，甚至在单个芯片内建立非常快速的通信，例如连接微处理器的不同内核。对这种快速通信链路的需求很大，因为微处理器的快速发展可能很快就会受到电子连接的传输带宽能力的严重限制，例如铜线。光数据传输允许更高的数据速率，同时消除电磁干扰引起的问题。该技术还可用于光通信的其他领域，例如光纤到户。
也可以从光子学的角度来考虑硅光子学，光子学到目前为止通常基于其他光学材料。（熔融石英= 无定形SiO2 在光子学中很常见，例如在二氧化硅纤维中，但基本硅要少得多。硅基光子器件的实现，甚至可能是电泵浦硅激光器和硅放大器，可能会导致更小，更便宜的光子器件，使一系列应用成为可能，而到目前为止，由于成本太高，这些应用已经是不可能的。
很明显，在硅光子学成为一项关键技术之前，仍然需要大量的工作，相当于巨大的资本投资。然而，潜在的优点激励着像英特尔这样的大公司认真追求这一发展。如果成功，它可以带来一种非常强大的技术，为光子学和微电子学及其应用带来巨大好处。
技术挑战
虽然硅基光子学的可能优点是巨大的，但这种技术也面临着非常大的挑战：
- 硅具有间接带隙，是一种非常低效的光发射器。尽管已经开发了各种技巧来解决这个问题，但硅基器件的激光或放大器性能无法与其他方法（例如砷化镓或磷化铟）的性能相媲美。
- 硅的带隙也比预期的要大，因此无法在1.5和1.3μm左右的电信光谱区域检测到光。
- 硅没有χ(2)非线性，使得不可能用这种材料实现电光调制器。
- 激光源在芯片上散发的热量可能不仅仅是方便的。
可以制造混合器件，其中光子功能由III-V半导体制成的结构提供（具有合适宽度和电光特性的直接带隙），例如磷化铟，并且这些器件被放置在包含大部分电子元件的硅芯片上。一类技术基于外延再生程序，该过程很复杂，并且经常大大降低产量。另一种方法是应用复杂的键合工艺，将含有波导的硅芯片与提供光学增益的磷化铟芯片相结合[17]。在这里，需要两个芯片之间的精确对准。
这两种技术方法，导致硅混合器件，往往价格昂贵，并且复杂性受到严格限制。因此，由“光子学的硅化”产生的全硅解决方案将更适合于广泛的应用。对于生化传感器等一系列中红外应用，也尝试了这一点。
研究现状
以下段落简要描述了硅光子学基本构建块的研究现状：
指路灯
对于波导中的指路灯，硅是合适的[1，2]。例如，有带有氧化物包层的肋波导，其传播损耗远低于1 dB/cm。硅的透明度范围从1.1μm到远红外区域。紧密的模式限制允许急剧弯曲，而不会造成过多的弯曲损失。它还允许对某些功能使用非线性，例如通过四波混合放大。 纳米锥形器可以有效地耦合到具有更大有效模式面积的单模光纤[7]。
激光源和放大器
对于激光光源和放大器，硅的间接带隙几乎不可用。在多孔硅和硅纳米颗粒的二氧化硅中已经取得了一些进展，但所实现的性能不能与例如基于磷化铟的器件相媲美。
另一方面，硅允许有效的拉曼放大，因为硅的拉曼增益系数非常高，波导将模式限制在非常小的区域。虽然拉曼激光器[8，19，23]或放大器[22]仍然需要光泵浦源，但它可用于访问更长的波长区域，甚至可能产生多个波长[23]。
另一种可用的扩增机制是基于χ(3)硅的非线性[18]。SOI信道波导提供良好的场限制，因此至少在施加相对强烈（多瓦）泵浦脉冲时具有可观的宽带参数增益。
还有一种方法是在III-V半导体材料（见上文）中提供有源功能，该材料与硅波导结构结合;然后，硅波导的瞬逝场可以足够强以进行有效放大[17]。此外，还可以用直接在硅上生长的锗制造单片结构（Ge-on-Si技术），其中掺杂的锗用作激光材料[26]。
如果在硅芯片上实现激光源不可行，则可以使用外部光纤耦合激光二极管，并使用纳米搪[7]将光与单模光纤耦合到硅芯片上。
光的调制
硅基光调制器可以通过Mach-Zehnder干涉仪和相位调制通过改变载流子密度[12]来实现：用电极注入载流子会改变干涉仪一个臂的折射率，从而将相位变化转化为功率传输的变化。
另一种可能性是使用微环谐振器[20，25]。使用此类设备可以实现每秒数千兆位的传输带宽。
非常紧凑和节能的器件也可以作为电吸收调制器实现，由硅上的外延锗制成[24]。
光检测
硅光电探测器（光电二极管）通常只对波长低于1.1μm的光敏感，对应于带隙。用于约1.5或1.3μm的电信波长的光电探测器可以使用硅锗合金（SiGe）[13]。由此产生的晶格不匹配导致晶体缺陷，从而产生问题。
一种新型的硅基光电探测器是等离子体内部光发射探测器（PIPED）。它基于金属 - 半导体 - 金属（MSM）界面上的等离子体效应，形成光学波导：光被金属屏障吸收，产生表面等离子体极化子（SPP）;它们在金属中产生“热电子”，然后在电极之间施加电压时，这些电子可以通过半导体势垒隧道。这种光电探测器可以做得非常小，并且可以具有非常高的光检测带宽，例如在1550nm波长处[29]。
太赫兹硅光子学
硅技术不仅可以用于处理光，还可以用于太赫兹辐射。例如，可以在硅光子学平台上实现等离子体内部光发射探测器（PIPED），它可以用作太赫兹探测器[30]。
参考文献
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