什么是硅光子技术？后摩尔定律时代新赛道

传感器技术 2022-09-21 07:00

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前言

随着半导体产业化进程不断加快，现在已经进入到后摩尔定律时代。微电子技术接近瓶颈，光电子技术已经成为半导体领域竞争的另一条赛道。

什么是硅光技术?

在芯片技术的发展过程中，随着芯片制程的逐步缩小，互连线引起的各种效应成为影响芯片性能的重要因素。芯片互连是目前的技术瓶颈之一，而硅光子技术则有可能解决这一问题。

互连线相当于微型电子器件内部的街道和高速公路，可将晶体管、电阻、电容等各个元件连接起来，并与外界进行互动交流。当芯片越做越小时，互联线也需要越来越细，互连线间距缩小，电子元件之间引起的寄生效应也会越来越影响电路的性能。常见的互连线材料诸如铝、铜、碳纳米管等，而这些材质的互联线无疑都会遇到物理极限，而光互连则不然。

并且，基于计算机与通信网络化的信息技术也希望其功能器件和系统具有更快的处理速度、更大的数据存储容量和更高的传输速率。仅仅利用电子作为信息载体的硅集成电路技术已经难以满足上述要求。

硅光子技术是一种光通信技术，使用激光束代替电子半导体信号传输数据，是基于硅和硅基衬底材料，利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。最大的优势在于拥有相当高的传输速率，可使处理器内核之间的数据传输速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被认为是新一代半导体技术。

历史上硅光子是在SOI上开发的，但SOI晶圆价格昂贵，而且不一定是所有不同光子学功能的最佳材料。同时随着数据速率的提高，硅上的高速调制正成为瓶颈，因此正在开发各种新材料，如LNO薄膜、InP、BTO、聚合物和等离子材料，以实现更高的性能。

硅光学技术的目标就是在芯片上集成光电转换和传输模块，使芯片间光信号交换成为可能。使用该技术的芯片中，电流从计算核心流出，到转换模块通过光电效应转换为光信号发射到电路板上铺设的超细光纤，到另一块芯片后再转换为电信号。

其实，硅光子技术并不是一项刚刚诞生的新技术。早在上世纪九十年代，就提出了有关的一些概念，是为了在芯片发展到物理极限后取而代之，以延续摩尔定律。21世纪初开始，以Intel和IBM为首的企业与学术机构就开始重点发展硅芯片光学信号传输技术，期望有朝一日能用光通路取代芯片之间的数据电路。

在制造工艺上，光子芯片和电子芯片虽然在流程和复杂程度上相似，但光子芯片对结构的要求不像电子芯片那样严苛，一般是百纳米级。这大大降低了对先进工艺的依赖，在一定程度上缓解了当前芯片发展的瓶颈问题。

业内人士将硅光技术的发展分为三个阶段。第一阶段是，用硅把光通信底层器件做出来，达到工艺的标准化。第二阶段是，集成技术从耦合集成向单片集成演进，实现部分集成，再把这些器件通过不同器件的组合，集成不同的芯片。第三阶段是，光电一体技术融合，实现光电全集成化。目前硅光技术已经发展到了第二个阶段。

随着摩尔定律逐渐遭遇天花板，硅光子技术的投入研发再次被重视，越来越多的科技公司开始加大对硅光子技术领域的研发投入。

后摩尔定律时代新赛道

在10nm后硅基CMOS摩尔定律开始失效，传统集成电路、器件提升带宽模式逼近极限。相比之下，硅光技术有机结合了成熟微电子和光电子技术，既减小了芯片尺寸，降低成本、功耗、又提高了可靠性，成为“超越摩尔”的新技术路径。面对硅光子技术的确定性发展趋势，海内外巨头公司瞄准硅光子技术新赛道。

有分析预计，硅光子在光收发器市场的份额预计到2027年可能会从目前的20％扩大到30％左右；用于消费者健康设备的硅光子学预计到2027年复合年增长率将达到30％，达到2.4亿美元；用于人工智能和其他高端计算应用的光子处理器的复合年增长率将达到142％，达到2.44亿美元。

格芯

格芯在退出与英特尔、三星和台积电的最先进处理器制造竞争后，在芯片领域稍显落后，但是现在正在加倍投入硅光子学 —— 日前宣布推出新一代硅光子平台GF Fotonix。

GF Fotonix通过在单个硅芯片上结合光子系统、射频（RF）组件和高性能互补金属氧化物半导体（CMOS）逻辑，将以前分布在多个芯片上的复杂工艺整合到单个芯片上。格芯是唯一一家拥有300mm单片硅光子解决方案的纯晶圆代工厂。

台积电

业内人士透露，台积电将与英伟达合作硅光子集成研发项目。合作项目将持续数年，该项目将使用台积电COUPE（compactuniversal photonic engine，紧凑型通用光子引擎）异构集成封装技术。

简单来说，该技术是将光学引擎和多种计算/控制器件集成在同一封装载板或中间器上，使得组件之间的距离更近，提高带宽和功率效率，并减少电耦合损耗。在相同功率下，使用COUPE封装技术的芯片在功耗和速度上都将大大改善，足以应对网络流量的爆炸式增长。从这里不难看出，COUPE封装技术最大的特点就是降低功耗、提升带宽。

国内方面

2021年12月，国家信息光电子创新中心、鹏城实验室在国内率先完成了1.6Tb/s硅基光收发芯片的联合研制和功能验证，实现了我国硅光芯片技术向Tb/s级的首次跨越。

国外方面

荷兰决定投资11亿欧元，以促进新一代硅光子技术企业的发展，为打造下一个阿斯麦做好准备。这11亿欧元中，4亿7100万欧元来自于荷兰政府，其余的投资则来自于荷兰埃因霍温理工大学和特文特大学等合作机构。荷兰的此项投资是为了抢占未来半导体市场，发掘类似阿斯麦的新尖端企业的战略。

硅光子技术三大优势

集成度高：硅光子技术以硅作为集成芯片的衬底，硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅CMOS工艺制作光器件。与传统方案相比，硅光子技术具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的集成度。

成本下降潜力大：传统的GaAs/InP衬底因晶圆材料生长受限，生产成本较高。近年来，随着传输速率的进一步提升，需要更大的三五族晶圆，芯片的成本支出将进一步提升。与三五族半导体相比，硅基材料成本较低且可以大尺寸制造，芯片成本得以大幅降低。

波导传输性能优异：硅的禁带宽度为1.12eV，对应的光波长为1.1μm。因此，硅对于1.1-1.6μm的通信波段（典型波长1.31μm/1.55μm）是透明的，具有优异的波导传输特性。此外，硅的折射率高达3.42，与二氧化硅可形成较大的折射率差，确保硅波导可以具有较小的波导弯曲半径。

硅光技术的应用领域

硅光子技术的高度集成特性在对尺寸更加敏感的消费领域存在更大需求，消费电子、智能驾驶、量子通信等领域有很大的发展空间。

消费电子

硅光的高集成度特性非常适合消费电子的需求，在有限的空间集成更多的器件，针对消费电子的硅光应用或有更多应用场景。

智能驾驶

目前车载激光雷达（LiDAR）已经成为比较成熟的技术路线，LiDAR需要多个激光发射源和接收器，或使用多路信号控制。硅光的高度集成性和电光效应相位调谐能力非常适宜LiDAR应用，目前有MIT、OURS等多个团队推出基于硅光的LiDAR产品，随着无人驾驶、辅助驾驶应用逐步成熟，LiDAR有望成为硅光重要应用领域。

量子通信

量子通信需要制备纠缠态的光子，并对其进行操控和分析，硅光技术非常适合复杂光路控制和高集成度，北大团队2018年3月在Science上发表了基于硅光的量子纠缠芯片的设计。量子通信在长途干线、金融等机构保密设备、数据中心加密等领域有广泛的应用空间，基于硅光的量子通信芯片有望成为未来重要的技术方案。

目前，硅光子技术商业化较为成熟的领域主要在于数据中心、高性能数据交换、长距离互联、5G基础设施等光连接领域，800G及以后硅光模块性价比较为突出。未来3年，硅光芯片将支撑大型数据中心的高速信息传输，LightCounting预测2022年800G光模块会逐步起量，预计到2024年规模将超过400G光模块市场，达70亿美元。

硅光技术发展面临的难题

首先，硅光产品需要考虑相对高昂的成本问题。受限于大量光学器件，一个硅光器件需要采用各种材料，在缺乏大规模需求的情况下，硅光产品成为一种“高价、低性价比”的产品。同时，器件的性能与良品率难以得到保障。

其次，硅光芯片在各个环节都缺少标准化方案。例如设计环节，硅光产品仍需要专用EDA工具（硅光设计工具PDA）进行设计；而在制造与封装环节，类似台积电、三星等大型晶圆代工厂都没有提供硅光工艺晶圆代工服务。

硅光子芯片技术的设计痛点：硅光芯片的设计方面面临着架构不完善、体积和性能平衡等难题。

硅光芯片的设计方案有三大主流：前端集成、混合集成和后端集成。前端集成的缺点是面积利用率不高、SOI衬底光/电不兼容、灵活性低和波导掩埋等，在工艺上的成本超高；后端集成在制造方面难度很大，尤其是波导制备目前而言很有挑战；至于混合集成，虽然工艺灵活，但成本较高，设计难度大。

硅光子芯片技术的制造难题：硅光芯片的制造工艺面临着自动化程度低、产业标准不统一、设备紧缺等技术难关。

由于光波长难以压缩，过长的波长限制芯片体积微缩的可能。同时光学装置需要更精确的做工，因为光束传输的些微偏差会造成巨大的问题，相对需要高技术及高成本。光子芯片相关的制程技术尚有待完善，良品率和成本将是考验产业的一大难题。

硅光子芯片面临的封装困扰：芯片封装是任何芯片的必经流程，关于硅光子的芯片封装问题，这是目前行业的一大痛点。

硅光芯片的封装主要分为两个部分，一部分是光学部分的封装，一部分是电学部分的封装。从光学封装角度来说，因为硅光芯片所采用的光的波长非常的小，跟光纤存在着不匹配的问题，与激光器也存在着同样的问题；不匹配的问题就会导致耦合损耗比较大，这是硅光芯片封装与传统封装相比最大的区别。用硅光做高速的器件，随着性能的不断提升，pin的密度将会大幅度增加，这也会为封装带来很大的挑战。

产业相关的器件难题：硅光芯片需要的器件很多，而目前仍有很多相关技术难题未解决。

如硅基光波导主要面临的产品化问题：硅基光电子需要小尺寸、大带宽、低功耗的调制器。有源光芯片、器件与光模块产品是重点器件，如陶瓷套管/插芯、光收发接口等组件技术目前尚未完全掌握。
来源：电子产品世界

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