光和電的碰撞，硅光子技術如何引領創新？

原創新思科技 2022-10-21 16:35

一杯咖啡的時間，搞懂行波測距新趨勢 汽車電子架構重構與智能連接革命

從新思科技與瞻博網絡（Juniper Networks）新成立的硅光子合資公司OpenLight，到英特爾在多波長集成光子學領域取得的進步，硅光子技術無疑正處在風口上。硅光子技術是指使用CMOS工藝來制造光子電路，這一方法不僅能夠利用半導體晶圓級的制造能力，也讓那些利用光特性進行計算、通信、傳感和成像的新型電子應用的優勢凸顯，所以硅光子技術越來越多地用于光學數據通信、傳感、生物醫學、汽車、虛擬現實（VR）和人工智能（AI）等領域。

最近發現，硅光子技術的主要挑戰是增加分立的激光器作為光子電路“光源”所產生的成本，包括制造成本，以及將這些激光器集成并排列到光子芯片上的成本。本文將從硅光子行業的宏觀層面，詳細闡述包括電子集成的優勢、如何加速各個市場的光子芯片設計、以及各家公司為什么有意轉向集成激光器等問題。

什么是硅光子技術？

光具有波粒二象性，這意味著光能夠像波或粒子那樣運動，而且這種行為是可以操控的。“光學”一詞是指對光的研究，這里的光通常指人眼可見的光，例如汽車前照燈發出的光、放大鏡等透鏡反射的光等。“光子學”一詞則代表著在小得多的尺度（小于幾微米）下反射或操縱光的系統。集成光子技術則是指使用半導體技術通過晶圓來制造光子系統。

換句話說，硅光子技術是一種基于材料的平臺，借助該平臺，開發者們可以利用絕緣體上硅（SOI）晶圓作為半導體襯底材料，來制造光子集成電路（PIC）。這項技術目前非常受歡迎，而且從技術角度也更切實可行了。

最初，集成光子技術主要用于電信和長距離數據通信應用中，并摻雜石英玻璃、鈮酸鋰或磷化銦等材料作為表面材料。但是，絕大多數半導體行業為實現高產量和低成本，通常是使用硅作為制造集成CMOS電路的主要材料。

由于光子的物理特性，它非常適合在成熟的CMOS工藝節點上采用，用以設計和制造光子器件和電路。如今，硅光子技術已經利用成熟的CMOS工藝制造和設計生態系統，開始構建集成光子系統，而該生態系統經證明具有非常高的規模經濟效益。

硅光子技術的主要優勢

現在，硅光子行業可以在晶圓上有效地制造PIC，PIC的其中一項主要優勢是它們能夠實現、擴展和增加數據傳輸。傳統的長距離連接是通過銅來互連的，但面對日益增長的帶寬和能耗需求，銅互連的效果逐漸接近極限。現在的數據中心已經開始使用光來連接，因此在網絡架構中可以更多實現短距離連接。將光連接到距離接口ASIC更近的地方是當下的最新趨勢，即從可插拔光收發器移到與接口處于同一封裝內的光學I/O芯片中。這樣做可以縮短高速SerDes鏈路的距離，從而降低I/O的總體能耗。

硅光子應用

除數據中心外，硅光子技術還可用于傳感應用領域，比如用于幫助確定周圍環境特性的光學傳感、信號傳輸，以及反射或傳輸光信號等。這種傳感活動對于健康和生物醫學領域的開發也十分有幫助，如診斷和分析、消費類健康穿戴應用，以及用于工業自動化和自動駕駛的激光雷達等。

固態激光雷達芯片在自動駕駛汽車和工業自動化領域越來越受重視。激光雷達不使用射頻信號，而是利用表面反射的光來分析和傳遞關鍵的路況信息，并提供有關車輛應對措施的信息（例如，物體移動的方向、可能存在障礙物的位置等）。當然了，在設計任何汽車有關的產品時，安全規定都必須考慮在內。

在激光雷達廣泛、大規模的消費應用方面，一些智能手機中已經引入了增強虛擬現實技術。所以，硅光子技術的另一個潛在大規模應用是通過智能手表和植入式醫療設備等可穿戴設備對人體進行健康測量，包括心率、血氧飽和度以及水合程度。

向集成激光器轉變

就像電路中的電壓電源一樣，激光器是硅光子電路的光源。目前，由于材料的間接帶隙，我們無法在硅材料中制造光源（或激光）。這就是為什么會使用磷化銦等材料來制造適用于電信及數據通信波長的半導體激光器。

OpenLight等公司已經開發出了多項技術，可將磷化銦集成到硅光子芯片中，用來制造驅動光子電路的集成激光器、調制器和檢測器。此外，同一系統中可以使用多個波長略有不同的激光器，從而進一步擴展功能。以前，開發者們比較擔心混合連接的激光裸片的可靠性，但集成激光器解決了這一擔憂，它提高了可靠性，讓開發者們能夠開發需要多個激光器或放大截面的應用。此外，散熱問題也不容小覷，因為激光器會產生熱量，因此在設計電路和封裝時需要把散熱考慮在內。

硅光子技術將會帶來巨大的技術和經濟價值，目前硅光子產業才剛剛起步。光接口（I/O）離核心芯片越近（通過2.5D/3D異構集成來實現），通信的代價就越小，因此硅光子技術非常適合高性能計算和人工智能應用。無論硅光子技術的未來發展如何，新思科技都會在此領域不斷投資和創新。