2022-12-26
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光能夠以相對較低的功耗傳播高數據速率，是一種極好的信息載體。幾十年來，硅一直是半導體技術的基石。把這兩者結合在一起只是時間問題：一種利用光能的技術，使用將微電子技術推向高峰的同一平臺。畢竟，既然已經投入了數十億美元來完善用于制造微電子的材料和工藝，為什么還要重新發明輪子呢？
于是硅光子學誕生了。首次探索于 1980 年代，并在世紀之交開始獲得動力，到現在為止，該技術已實現批量商業化。事實證明，它在數據中心越來越受歡迎，其中基于硅光子學的收發器支持服務器之間的光學連接。
隨著世界對數據的渴望與日俱增，以及對降低能源消耗的渴望，該技術有望在未來十年內迅速發展。市場研究機構 Yole Group 預計，2021 年至 2027 年，硅光子市場的復合年增長率 (CAGR) 將達到 36%，屆時將達到近 10 億美元。
Imec 開發的混合 CMOS-硅光子收發器原型
雖然這種增長的主要驅動力是數據中心內的通信，但預計新興應用程序將不斷涌現。硅可能會用于距離越來越短的數據交換，并最終用于同一系統中芯片之間的數據交換。該技術也正在作為汽車激光雷達的基礎平臺運行，允許自動駕駛汽車在道路上行駛，或者至少幫助司機避免碰撞。
“硅光子是在 300mm 標準半導體晶圓廠生產的。這意味著它可以通過嚴格的規格和質量控制以及可靠的物流進行生產。這抵消了它的一些局限性，并使其成為與激光等其他技術相結合的有吸引力的基準，”Photondelta 首席技術官 Carol de Vries 解釋道。他補充說，初步的市場預測表明，硅光子無論是單獨使用還是與其他集成光子學平臺結合使用，都將繼續存在?！邦A計到 2040 年，它的市場份額將達到 45%?！?/p>
傳統上，硅光子 (SiPh) 被理解為基于主導常規電子電路的材料的集成光子學：硅和氧化硅（二氧化硅）。在科學文獻中，這種類型的集成光子學通常稱為絕緣體上硅 (SOI)，該術語也用于特種半導體技術。
從這個嚴格意義上講，SOI 可能是三成員集成光子學家族中最有限的技術，該家族還包括基于氮化硅(SiN) 和磷化銦(InP) 的技術。由于其間接帶隙，硅無法產生增益或激光，即該材料不能用于構建有源元件，例如光源和放大器。SiN 也是如此，但這種材料比 SOI 具有更低的光損失和更寬的光譜覆蓋范圍。
InP 是唯一可以在沒有外部幫助的情況下執行所有功能的半導體，但在損耗和光譜覆蓋方面也有 SOI 的缺點。如果僅作為光源，Si 和 SiN 平臺通常都依賴于與 InP 的某種形式的集成。最好的方法是特定于應用程序。
當然，SOI 的特性足以滿足許多有趣的應用。光可以有效地進出芯片，并且可以使用重要的無源元件，例如千兆赫級調制器和光電探測器。除此之外，還可以利用數十年的硅加工經驗——300 毫米晶圓、高良率、與 CMOS 的協同集成、各種先進的 3D 集成技術——硅光子的發展空間很大。
然而，越來越多的人將 SiPh 解釋為可以在 CMOS 晶圓廠中制造的任何類型的集成光子。在那種情況下，SiPh 和 SiN 變成一個單一的實體，因為后者也與 CMOS 兼容。但有一個警告，Imec 硅光子研究員 Joris Van Campenhout 解釋說?！爸圃炀哂袠O低光損失的高端 SiN 波導需要高熱預算。這可能與共同集成其他功能不兼容?！?/p>
保持 CMOS 兼容性通常會受到限制。Van Campenhout指出：“CMOS 制造環境受到嚴格控制。某些材料是被禁止的，包括 InP 和其他 III-V 族半導體?！?nbsp;另一方面，CMOS 的戒律并非一成不變。在過去的幾十年里，晶圓廠引入了幾種新材料來保持摩爾定律的運行?！叭绻阌袕姶蟮纳虡I案例，一切皆有可能。然而，目前還沒有任何集成光子學應用程序能夠產生能夠保證主流晶圓廠進行此類調整的體積?！?/p>
然而，Van Campenhout 指出，未來的用例需要 SiPh 引入新材料，以不斷改進性能和成本。例如，隨著數據中心收發器中的信號速率超過 200 Gb/s，實現足夠的調制器帶寬和可接受的光損失變得具有挑戰性。這些障礙只能通過在混合物中引入新材料來消除?！坝眯虏牧虾托鹿δ茇S富 SiPh，同時保持最大的 CMOS 兼容性是一個很好的機會?！?/p>
通過在前端處理環境之外（即后端生產線）集成“禁用”材料或包含這些材料的組件，可以在遵守 CMOS 規則的同時引入新材料?！敖裉?，尚不清楚什么是最合適的整合水平，以及何時會大規模發生。除了數據和電信，應用研究仍處于起步階段。您需要集成哪些功能？需要什么規格？對于廣泛的應用，這些是我們仍然無法回答的問題。盡管如此，我認為可以公平地說，隨著 SiPh 獲得關注、商業模式穩固和市場拉動增加，界限將證明不會像以前想象的那么難?！?/p>
帶有倒裝 InP 激光二極管的 300 毫米硅光子晶圓
從歷史上看，光通信鏈路變得越來越短，從連接大陸到家庭和辦公室再到數據中心內的服務器。它們會變得更短，在 1-10 厘米范圍內，因為芯片之間的電氣連接開始失去動力。
目前，這個問題在高性能計算應用的高端最為緊迫。例如，Nvidia 的“一體機數據中心”結合了八個強大的 GPU 和大量內存來處理要求苛刻的機器學習和數據科學工作負載。該系統的性能取決于處理器和內存能否快速有效地交換數據。Van Campenhout 估計，根據當前的電氣互連速度，它們將在兩代或三代后成為瓶頸。
Van Campenhout 自 2014 年以來一直擔任 Imec 光 I/O 研發項目的主管。在過去的十年中，他的研究重點傾向于數據通信和電信應用，但最近，行業對短距離光互連的興趣急劇增加，他說. “許多公司，包括幾家資本充足的初創公司，都在尋求積極部署深度集成的短距離光互連，以提高其高性能計算系統的性能?！?/p>
除了其位于魯汶總部的光學 I/O 研發計劃和 SiPh/SiN 原型設計服務之外，Imec 還在荷蘭啟動了一系列面向應用的硅光子活動。該合作由國家增長基金共同出資，并與 TNO 和 Photondelta 生態系統的其他合作伙伴合作，將重點關注埃因霍溫霍爾斯特中心的激光雷達和激光設計以及瓦赫寧根 Oneplanet 的農業食品應用。
“看到荷蘭經濟部與國家增長基金 Photondelta 的投資真是太棒了。這種財務沖動至關重要，因為該行業在全球范圍內都處于投資階段。此外，這些資助機制也促進了合作。
Photondelta 提供了一個極好的機會來加強霍爾斯特中心內部與本地合作伙伴和跨境合作，”Imec 研發副總裁兼霍爾斯特中心 Imec 總經理 Kathleen Philips 評論道。
“在 Imec NL，我們專注于設計更完整的光子系統，包括電子和算法。我們不僅在構建塊上進行創新，還特別致力于通過連接各個學科來創建差異化的 IP。應用領域是農業食品和健康，以及數據通信和汽車激光雷達。此外，霍爾斯特中心的新系統設計活動在我們在比利時的長期光子技術活動與在海爾德蘭 Oneplanet 的光子應用研究之間架起了一座橋梁?！?/p>
未來，這項技術可能會滲透到更通用的應用程序中。例如，領先的芯片制造商非常重視將他們的芯片“劃分”成多個 IC，每個 IC 都有專門的功能（CPU、I/O、高速緩存等）。特別是在這種情況下相對較長的距離，銅線可能無法勝任這些小芯片的互連工作。
這將需要進一步提高帶寬和功率效率。在 Imec 的路線圖中，目標是每兩年將光學子系統的帶寬加倍并將每比特功率減半。正如 Van Campenhout 已經解釋的那樣，這將需要引入可能“破壞”CMOS 兼容性的新材料。但是，如果有一個商業案例可以應對這一挑戰，那么它很可能是芯片間光互連?！斑@將是一段激動人心的旅程，”Van Campenhout 說。