光和电的碰撞，硅光子技术如何引领创新？

原创新思科技 2022-10-21 16:35

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从新思科技与瞻博网络（Juniper Networks）新成立的硅光子合资公司OpenLight，到英特尔在多波长集成光子学领域取得的进步，硅光子技术无疑正处在风口上。硅光子技术是指使用CMOS工艺来制造光子电路，这一方法不仅能够利用半导体晶圆级的制造能力，也让那些利用光特性进行计算、通信、传感和成像的新型电子应用的优势凸显，所以硅光子技术越来越多地用于光学数据通信、传感、生物医学、汽车、虚拟现实（VR）和人工智能（AI）等领域。

最近发现，硅光子技术的主要挑战是增加分立的激光器作为光子电路“光源”所产生的成本，包括制造成本，以及将这些激光器集成并排列到光子芯片上的成本。本文将从硅光子行业的宏观层面，详细阐述包括电子集成的优势、如何加速各个市场的光子芯片设计、以及各家公司为什么有意转向集成激光器等问题。

什么是硅光子技术？

光具有波粒二象性，这意味着光能够像波或粒子那样运动，而且这种行为是可以操控的。“光学”一词是指对光的研究，这里的光通常指人眼可见的光，例如汽车前照灯发出的光、放大镜等透镜反射的光等。“光子学”一词则代表着在小得多的尺度（小于几微米）下反射或操纵光的系统。集成光子技术则是指使用半导体技术通过晶圆来制造光子系统。

换句话说，硅光子技术是一种基于材料的平台，借助该平台，开发者们可以利用绝缘体上硅（SOI）晶圆作为半导体衬底材料，来制造光子集成电路（PIC）。这项技术目前非常受欢迎，而且从技术角度也更切实可行了。

最初，集成光子技术主要用于电信和长距离数据通信应用中，并掺杂石英玻璃、铌酸锂或磷化铟等材料作为表面材料。但是，绝大多数半导体行业为实现高产量和低成本，通常是使用硅作为制造集成CMOS电路的主要材料。

由于光子的物理特性，它非常适合在成熟的CMOS工艺节点上采用，用以设计和制造光子器件和电路。如今，硅光子技术已经利用成熟的CMOS工艺制造和设计生态系统，开始构建集成光子系统，而该生态系统经证明具有非常高的规模经济效益。

硅光子技术的主要优势

现在，硅光子行业可以在晶圆上有效地制造PIC，PIC的其中一项主要优势是它们能够实现、扩展和增加数据传输。传统的长距离连接是通过铜来互连的，但面对日益增长的带宽和能耗需求，铜互连的效果逐渐接近极限。现在的数据中心已经开始使用光来连接，因此在网络架构中可以更多实现短距离连接。将光连接到距离接口ASIC更近的地方是当下的最新趋势，即从可插拔光收发器移到与接口处于同一封装内的光学I/O芯片中。这样做可以缩短高速SerDes链路的距离，从而降低I/O的总体能耗。

硅光子应用

除数据中心外，硅光子技术还可用于传感应用领域，比如用于帮助确定周围环境特性的光学传感、信号传输，以及反射或传输光信号等。这种传感活动对于健康和生物医学领域的开发也十分有帮助，如诊断和分析、消费类健康穿戴应用，以及用于工业自动化和自动驾驶的激光雷达等。

固态激光雷达芯片在自动驾驶汽车和工业自动化领域越来越受重视。激光雷达不使用射频信号，而是利用表面反射的光来分析和传递关键的路况信息，并提供有关车辆应对措施的信息（例如，物体移动的方向、可能存在障碍物的位置等）。当然了，在设计任何汽车有关的产品时，安全规定都必须考虑在内。

在激光雷达广泛、大规模的消费应用方面，一些智能手机中已经引入了增强虚拟现实技术。所以，硅光子技术的另一个潜在大规模应用是通过智能手表和植入式医疗设备等可穿戴设备对人体进行健康测量，包括心率、血氧饱和度以及水合程度。

向集成激光器转变

就像电路中的电压电源一样，激光器是硅光子电路的光源。目前，由于材料的间接带隙，我们无法在硅材料中制造光源（或激光）。这就是为什么会使用磷化铟等材料来制造适用于电信及数据通信波长的半导体激光器。

OpenLight等公司已经开发出了多项技术，可将磷化铟集成到硅光子芯片中，用来制造驱动光子电路的集成激光器、调制器和检测器。此外，同一系统中可以使用多个波长略有不同的激光器，从而进一步扩展功能。以前，开发者们比较担心混合连接的激光裸片的可靠性，但集成激光器解决了这一担忧，它提高了可靠性，让开发者们能够开发需要多个激光器或放大截面的应用。此外，散热问题也不容小觑，因为激光器会产生热量，因此在设计电路和封装时需要把散热考虑在内。

硅光子技术将会带来巨大的技术和经济价值，目前硅光子产业才刚刚起步。光接口（I/O）离核心芯片越近（通过2.5D/3D异构集成来实现），通信的代价就越小，因此硅光子技术非常适合高性能计算和人工智能应用。无论硅光子技术的未来发展如何，新思科技都会在此领域不断投资和创新。