硅光子芯片科普：助力AI時代！

隨著物理定律與數(shù)據(jù)量的指數(shù)增長相沖突，傳統(tǒng)電路縮放正逐漸遇到瓶頸，這迫使芯片制造商將目光轉(zhuǎn)向硅光子學(xué)，將數(shù)據(jù)從收集地迅速傳輸?shù)教幚砗痛鎯Φ亍?/span>

物理定律是永恒不變的。簡單來說，電子在銅導(dǎo)線中的傳輸速度是有限的。盡管在宏觀尺度上，電子的傳輸速度很快，但隨著路徑的縮小，電子會遇到更大的阻力，導(dǎo)致發(fā)熱和電力效率下降。與之相比，硅光子學(xué)利用光子的速度繞過了這些電子限制。光子以光速傳播，不受銅等材料的電阻限制。相對于電子，光子產(chǎn)生的熱量較少，且具有更高的頻率，可以攜帶更多的數(shù)據(jù)，同時受到較少的信號衰減。

日月光半導(dǎo)體負責(zé)銷售和市場營銷的高級副總裁尹昌表示：“公司在基板上承載的帶寬方面已經(jīng)達到了極限?！薄叭绻荒軡M足這些需求，光子學(xué)是唯一的選擇?！?/span>

硅光子學(xué)在數(shù)據(jù)中心中扮演著舉足輕重的角色，尤其在高帶寬和高能效的數(shù)據(jù)傳輸方面。隨著人工智能、云計算和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的普及，對于高效數(shù)據(jù)處理的需求也與日俱增。在這種情況下，光子集成電路(PICs)可以在降低功耗的同時，保持對于更高數(shù)據(jù)傳輸速率的需求。這些創(chuàng)新表明，硅光子學(xué)在需要快速、海量數(shù)據(jù)通信的場景中有著廣闊的應(yīng)用前景。

博通光學(xué)系統(tǒng)的營銷和運營副總裁Manish Mehta表示：“隨著人工智能集群的增長，光學(xué)的使用量正在顯著增長?！睙o論是API服務(wù)器還是聚合交換機，這些架構(gòu)都在廣泛采用光傳輸技術(shù)。

根據(jù)Vantage Market Research的一份報告，2022年全球硅光子學(xué)市場價值為12.6億美元，預(yù)計到2030年，復(fù)合年增長率將達到25.7%，市場價值預(yù)計將達到78.6億美元。

除了在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用，硅光子學(xué)在其他領(lǐng)域也占據(jù)著領(lǐng)先地位，比如在汽車中的激光雷達技術(shù)，它與攝像頭和雷達一起被視為物體探測的關(guān)鍵技術(shù)。此外，硅光子學(xué)還在先進成像系統(tǒng)、增強現(xiàn)實(AR)顯示器和超高清全息投影等領(lǐng)域進行了創(chuàng)新應(yīng)用。

盡管取得了重大進步并且市場前景廣闊，但現(xiàn)有的制造工藝限制了硅光子學(xué)組件的可擴展性和大規(guī)模生產(chǎn)。由于制造光學(xué)元件所需的復(fù)雜性和精度，制造過程通常是手工且勞動密集型的。

硅光子學(xué)制造過程將光學(xué)功能集成到硅襯底上，使光學(xué)和電子設(shè)備能夠共存于同一集成電路芯片上。在這個過程中，需要解決的挑戰(zhàn)包括材料沉積、波導(dǎo)制造和摻雜等問題，以確保硅光子學(xué)器件的高性能和穩(wěn)定性。

隨著對高性能封裝的巨大需求，向光子學(xué)的過渡變得更加復(fù)雜。與傳統(tǒng)的電子元件不同，光子元件需要精確的對準來保持信號完整性，通常采用有源對準技術(shù)，這增加了組裝的復(fù)雜性，使制造商面臨著如何經(jīng)濟有效地擴展這些操作的難題。

日月光半導(dǎo)體首席執(zhí)行官喬杜里表示：“我們可以看到共封裝光學(xué)器件即將問世，人們正在詢問如何將硅光子學(xué)結(jié)合起來。”“將光學(xué)元件連接到芯片上，然后將多個芯片連接在一起，這是一個挑戰(zhàn)。”此外，光子電路的設(shè)計目前正在經(jīng)歷一次徹底的改革。現(xiàn)在的芯片設(shè)計包括復(fù)雜的路由系統(tǒng)和光學(xué)諧振器，如微環(huán)諧振器和陣列波導(dǎo)光柵，它們可以以光速分類和引導(dǎo)信息。

然而，隨著這種復(fù)雜性的增加，需要PIC適應(yīng)光子元件的熱敏性。諸如片上溫度控制系統(tǒng)(如熱調(diào)諧器和局部冷卻)的創(chuàng)新正在開發(fā)中，以確保PIC在操作環(huán)境發(fā)生變化時仍能保持一致的性能。

光子學(xué)設(shè)備已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，促進了密集的服務(wù)器機架和互連存儲單元之間的高速節(jié)能通信。但是硅光子學(xué)的潛在應(yīng)用遠遠超出了數(shù)據(jù)中心。

例如，激光雷達依靠激光脈沖來測量距離，并生成精確的環(huán)境3D地圖。硅光子學(xué)可以通過為汽車安全系統(tǒng)、自動駕駛汽車和環(huán)境監(jiān)測提供緊湊且具有成本效益的解決方案來增強激光雷達系統(tǒng)。

硅光子學(xué)也準備徹底改變圖像投影技術(shù)。通過利用其精確操縱光的能力，硅光子學(xué)可以開發(fā)微型高分辨率投影儀，用于從移動設(shè)備到增強現(xiàn)實耳機的各種應(yīng)用。

然而，硅光子學(xué)研究和進步的機會受到有能力生產(chǎn)它們的代工廠數(shù)量的限制。開放訪問的代工廠允許各種商業(yè)客戶使用其制造設(shè)施，對于沒有資源建立內(nèi)部生產(chǎn)線的小型公司和研究機構(gòu)來說至關(guān)重要。這一瓶頸扼殺了創(chuàng)新，減緩了新光子設(shè)計測試和推向市場的步伐。這類設(shè)備的缺乏可能會延遲原型制作，并增加小規(guī)模生產(chǎn)商的成本，潛在地扼殺了光子解決方案的多樣性和擴散。

此外，硅光子學(xué)的特殊要求，例如需要以納米級精度集成電子和光子組件，意味著只有少數(shù)代工廠有能力制造這些芯片。為了使硅光子學(xué)發(fā)揮其潛力，投資擴大這些開放的代工廠是必不可少的，以提供更多的行業(yè)參與者創(chuàng)新和將產(chǎn)品推向市場的能力。

光子電路對于溫度變化高度敏感，因此需要復(fù)雜的冷卻解決方案。這給封裝過程增加了另一層復(fù)雜性。

Promex Industries首席運營官兼工程副總裁大衛(wèi)·弗洛姆表示：“從CTE的角度來看，這些材料的性能通常很差?！耙驗樗鼈兙哂休^低的轉(zhuǎn)變溫度，你可以很容易地達到一個點，CTE比你正在處理的其他東西大得多，而且材料本身通常不是針對CTE進行優(yōu)化的。它們針對光學(xué)進行了優(yōu)化。這就產(chǎn)生了很多問題?！?/span>

與電子電路相比，封裝和組裝成本通常只是成本的一小部分，但集成PIC的復(fù)雜性顛覆了這一比例。一些研究估計，封裝、組裝和測試光子器件的成本高達總模塊成本的80%。

“最近人們對光子學(xué)很感興趣，尤其是在共封裝光學(xué)領(lǐng)域，”日月光半導(dǎo)體的Chang補充道?！拔覀冋谘芯吭S多不同的封裝光子工藝，以顯著增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挕Ｎ覀兊哪繕耸莿?chuàng)造更好的性能和更高的效率?！?/span>

每個光學(xué)元件——從波導(dǎo)到調(diào)制器和光電探測器——都必須以一種保護其功能的方式封裝，同時也使其能夠與電子元件無縫交互。此外，封裝必須支持光子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，最大限度地減少可能破壞光信號完整性的任何位移或振動。

電子和光學(xué)測試對于保證信號路徑的完整性和芯片上每個光學(xué)元件的性能也至關(guān)重要。這包括仔細檢查波導(dǎo)的任何潛在光損耗，評估調(diào)制器和檢測器的效率，并徹底評估整體數(shù)據(jù)傳輸能力。

盡管面臨挑戰(zhàn)，但也有進步。其中一個突破就是超低損耗波導(dǎo)的發(fā)展。目前的問題是找到一種方法，使光在通過芯片的過程中使信號衰減最小?，F(xiàn)在，新材料和精密的制造技術(shù)可以實現(xiàn)這一目標。

工程師們正在探索新舊材料，以提高光效和控制硅襯底。這包括已經(jīng)使用了50年的氮化硅(Si3N4)和Hydex，這是一種光子玻璃材料，其特點是在近紅外范圍內(nèi)具有高折射率和超低光學(xué)損耗，使其在電信領(lǐng)域的應(yīng)用特別有效。Hydex可以在制造過程中精心定制特定的光機械性能，從而增加光子組件的集成密度和功能。

Hydex玻璃是通過專門的溶膠-凝膠工藝生產(chǎn)的，該工藝包括將溶液轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w凝膠相。從那里，它被進一步加工成玻璃。通過調(diào)整條件和前驅(qū)體溶液的組成，制造商可以改變玻璃的最終性能，例如其熱光學(xué)系數(shù)或相對于包層材料的折射率對比。

光子工程師也在開發(fā)可以在同一結(jié)構(gòu)內(nèi)處理多種模式和偏振光的波導(dǎo)。這意味著這些電路可以攜帶更多的信息而不需要增加物理尺寸。

此外，它們還集成了長度復(fù)用特性，這極大地提高了光子集成電路(PIC)的數(shù)據(jù)吞吐量。通過將波分復(fù)用元件直接集成到芯片上，可以同時使用多個波長的光，從而允許并行數(shù)據(jù)流——類似于在高速公路上開辟多條車道以加快交通流量。