光子集成电路和硅光子技术的发展历程

光子集成电路(PIC)是一种光学微芯片系统，其光学元件利用光(或光子)代替电子进行数据传输，而后者是传统集成电路(IC)——也称为电子集成电路(EIC)的基础。

从电子信号到光子信号的这一根本性转变，使数据能够以光速传输，与受电子移动速度较慢限制的EIC相比，大大提高了速度和带宽。无质量光子在传输过程中不会产生与EIC相同的电阻损耗，从而降低了功耗和发热量。由于利用了光，PIC还能免受电磁干扰的影响。这些特性使数据传输的规模得以扩大，可靠性得以提高。

硅光子学是一个专业领域，它将光子元件集成在硅衬底上，从而创建复杂的光学系统。这些系统利用硅和其他材料——如氮化硅(SiN)和绝缘体上硅(SOI)晶圆的特性来实现高性能光学元件，如波导和调制器。

与通常将晶体管视为基本功能单元的电子器件不同，PIC没有主要元件。硅光子学可能包括激光器、波导、调制器、光电探测器、耦合器、光开关、谐振器和多路复用器/解复用器等元件，这使得PIC的设计和制造更加复杂。

此外，光子传输不依赖于电流等固体介质。因此，它可以在自由空间中穿行，例如应用激光雷达来探测三维实际场景，并为各种用例创建三维点云。

PIC和硅光子技术为何备受关注？

人工智能(AI)的兴起和数据中心日益增长的需求极大地吸引了人们对PIC和硅光子技术的关注。这些技术可实现高速数据传输，这对于支持AI加速器和现代数据中心所需的海量数据速率至关重要。AI的快速发展推动了对高效、高带宽通信的需求，使PIC和硅光子技术成为未来AI和数据基础设施的关键组件。

开发PIC收发器的主要驱动力将是AI加速器不断升级的性能要求。随着AI模型和数据集的复杂性和规模不断增长，对更高性能收发器的需求也将增加。预计短期内的主要驱动力将是AI对光子收发器的需求。

硅光子学材料的进步

硅光子学利用硅的半导体特性为各种应用创建PIC。硅光子学使用的主要材料是硅、二氧化硅(玻璃)以及为解决硅固有局限性而选择的材料。

SiN因其光损耗低、波长范围宽而被广泛用于硅光子学中的无源元件。SiN是制造波导和其他需要高光功率处理的无源器件的理想材料。此外，SOI晶圆是许多硅光子器件的基础材料，具有很强的光约束能力，可在单个芯片上集成多个光子元件。

激光器是硅光子学中产生光的关键，这些激光器可通过各种方法集成到硅光子芯片中，包括倒装芯片邦定、异质集成和在硅衬底上外延生长III-V族材料。互补CMOS加工和半导体先进封装为激光器集成提供了改进，这也被认为是重点。然而，由于硅具有间接带隙，硅光子激光器的材料体系仍然基于III-V族化合物半导体，例如磷化铟(InP)。

在调制器方面，传统的硅调制器利用等离子体色散效应，这种效应虽然有效，但在效率和插入损耗方面受到限制。钛酸钡和绝缘体上薄膜铌酸锂等新兴材料由于具有普克尔斯效应，可以用较低的驱动电压和较高的带宽实现高速调制，因此正在受到探索。

传统光学模块中的光电探测器通常使用III-V族材料，例如InP。然而，硅光子技术正朝着硅锗(SiGe)探测器的方向发展，这种探测器可以与硅光子电路更无缝地集成在一起。SiGe探测器尤其适用于高速应用，其优点是与标准CMOS工艺兼容，从而降低了成本，简化了制造过程。

共封装光学器件(CPO)的出现

对更高带宽和更快传输速度的需求不断增长，尤其是在电信和数据中心，这推动了硅光子学和PIC的发展。

传统的电子互连技术，如铜以太网，在较长距离上已达到带宽和功耗的极限。光纤和光传输实现了更高的数据传输能效，最初用于长途网络，现在用于数据中心基础设施，以提高网络架构的连接效率。

光纤电缆使用带光学引擎(OE)的可插拔光学模块来进行光信号和电信号的转换。这些可插拔模块采用电气接口，通过插入安装在PCB边缘和网络设备前面板上的连接器，将模块与网络设备中的交换机/路由器ASIC连接起来。

PIC已在数据通信和电信中得到采用。业界已经历了从可插拔光收发器到板载光学器件的转变，即在同一系统板上组装OE和交换芯片(图1)。最新趋势之一是向CPO的转变，即OE与交换机ASIC集成在同一封装内，以解决性能、功耗和尺寸方面的限制问题。这将高速串行器/解串器(SerDes)电气链路的距离缩短至几毫米，从而降低了I/O的总功耗和发热量，显著减少了延迟，提高了带宽密度并改善了信号完整性。

CPO减少了电信号的传输距离，从而提高了性能，降低了功耗。考虑到数据速率的不断提高，这种集成对高密度IC尤其有利，也是业界的一个重要趋势。

在传统设计中，光收发器是可插拔模块，通过相对较长的电气走线连接到交换机ASIC。

CPO技术可用于以太网交换机以支持更高的数据速率。它将光学元件与交换机ASIC直接集成在一个封装内，以更低的延迟和功耗实现更高的吞吐量。

图1：高端数据中心光模块封装的关键趋势。(来源：IDTechEx)

集成方法的进展和趋势

硅光子学的集成方法发展迅速。一般来说，有三种集成方法最受关注(图2)：

• 单片集成是指采用统一的制造工艺，直接在单个衬底上制造光子有源和无源元件。
• 异质集成是指将不同衬底制造的元件邦定或附着到单个衬底上。这些元件可能基于不同的材料或具有不同特性的不同制造工艺。单片集成和异质集成都发生在晶圆或芯片级。通常采用诸如裸片到晶圆和晶圆到晶圆邦定等技术。
• 混合集成则发生在封装或电路板级。它包括将单独的芯片或模块组装成单个光子系统。这些芯片或模块通常通过光学互连连接。

图2：三种集成方法。(来源：IDTechEx)

硅光子学的大规模集成和超大规模集成趋势旨在增加单个芯片上的元件数量，从而实现更复杂、功能更强的系统。这种扩展对于数据中心、高性能计算和先进传感技术的应用至关重要。此外，封装技术的进步，如光子引线邦定和无源对准方法，正在提高硅光子的效率和可扩展性。这些技术对于减少插入损耗和提高光子系统的可靠性至关重要。此外，在PIC平台上集成激光器和调制器等有源器件是目前的一个重要焦点。所有这些趋势都要求正确选择和进一步开发集成方法。

PIC和硅光子学处于技术创新的前沿，改变着数据的处理和传输方式。通过利用光的独特特性，这些技术提供了无与伦比的速度、带宽和效率，使其成为未来AI、数据中心和HPC的关键。随着材料、集成方法和封装技术的不断进步，PIC和硅光子学的潜力将不断增长，推动各种高科技应用的创新和性能。

（原文刊登于EE Times欧洲版，参考链接：The Evolution of Photonic Integrated Circuits and Silicon Photonics，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2025年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。