硅光芯片：你相信光嗎？

來(lái)自未來(lái)的硅光芯片，在 2023 年又向前邁進(jìn)了一步。自 2023 年初以來(lái)，圍繞硅光子學(xué)進(jìn)行了大量炒作，并進(jìn)行了大量投資，特別是光計算、光 I/O 和各種傳感應用。

市場(chǎng)研究機構 Yole Intelligence 表示，2022 年，硅光芯片市場(chǎng)價(jià)值為 6800 萬(wàn)美元，預計到 2028 年將超過(guò) 6 億美元，2022 年—2028 年的復合年均增長(cháng)率為 44%。推動(dòng)這一增長(cháng)的主要因素是用于高速數據中心互聯(lián)和對更高吞吐量及更低延遲需求的機器學(xué)習的 800G 可插拔光模塊。

硅光為何「令人相信」？

用 CMOS 技術(shù)（也就是硅光子學(xué)）制造光子電路不僅提供了半導體晶圓級制造的規模，還利用光在計算、通信、傳感和成像方面的特性在新電子應用中發(fā)揮了優(yōu)勢。

由于這些原因，硅光子學(xué)越來(lái)越多地應用于光學(xué)數據通信、傳感、生物醫學(xué)、汽車(chē)、虛擬現實(shí)和人工智能 (AI) 應用。直到最近，硅光子學(xué)的主要挑戰一直是添加作為光子電路「電源」的分立激光器的成本，其中包括制造以及這些激光器在光子芯片上的組裝。

光可以表現得像波或粒子，并且這種行為是可以操縱的?！腹鈱W(xué)」一詞是指對光的研究，通常用于談?wù)撊搜劭梢?jiàn)的光（例如，頭燈發(fā)出的光、放大鏡等透鏡反射的光等）?！腹庾訉W(xué)」一詞是指以小得多的尺度（小于幾微米）反射或操縱光的系統。集成光子學(xué)是指使用半導體技術(shù)和在潔凈室設施中處理的晶圓來(lái)制造光子系統。如果所使用的制造工藝非常類(lèi)似于 CMOS 制造，那么它就被稱(chēng)為硅光子學(xué)。

換句話(huà)說(shuō)，硅光子學(xué)是一個(gè)材料平臺，可以使用絕緣體上硅（SOI）晶圓作為半導體襯底材料來(lái)制造光子集成電路（PIC）。這項技術(shù)變得比以往任何時(shí)候都更加流行和可行，這是有一個(gè)重要原因的。

最初，集成光子學(xué)開(kāi)始使用摻雜石英玻璃、鈮酸鋰或磷化銦等材料作為材料表面，特別是對于電信和長(cháng)途數據通信應用。然而，絕大多數半導體行業(yè)使用硅作為主要材料來(lái)創(chuàng )建集成 CMOS 電路，實(shí)現了非常高的產(chǎn)量和低成本。光子學(xué)的物理特性使其非常適合使用舊硅節點(diǎn)上使用的 CMOS 工藝來(lái)圖案化和制造光子器件和電路。使用成熟的制造工藝為大規模生產(chǎn)開(kāi)辟了一條經(jīng)濟可行的道路，因此，集成硅光子學(xué)已經(jīng)起飛。

如今，硅光子學(xué)已經(jīng)利用成熟的 CMOS 制造和設計生態(tài)系統來(lái)開(kāi)始構建集成光子系統，該生態(tài)系統已被證明在規?；矫娣浅＞哂谐杀拘б?。

主要優(yōu)點(diǎn)

現在，該行業(yè)可以在硅晶圓上高效地制造 PIC，硅光子帶來(lái)的所有優(yōu)勢都可以開(kāi)始在主流電子產(chǎn)品中得到利用。PIC 的主要優(yōu)勢之一是它們能夠實(shí)現、擴展和增加數據傳輸。從歷史上看，對于較長(cháng)的距離，銅鏈路首先達到帶寬與能耗的限制。最近，光纖連接被用于數據中心，以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )架構中越來(lái)越短的連接。最新趨勢是通過(guò)從可插拔光收發(fā)器轉移到與交換機采用同一封裝的光 I/O 小芯片，將光連接移至更靠近交換機 ASIC 的位置。這縮短了高速電氣 SerDes 鏈路的距離，從而降低了 I/O 的總體能耗。

除了用于數據中心外，硅光子還可以用于傳感，這有利于各種不同的行業(yè)。例如，光學(xué)傳感、信號傳輸以及反射或傳輸光信號的接收可以幫助確定周?chē)h(huán)境的特性。這種傳感活動(dòng)有利于健康和生物醫學(xué)應用，例如診斷和分析以及消費者健康可穿戴應用，以及用于工業(yè)自動(dòng)化和自動(dòng)駕駛的激光雷達。

固態(tài)激光雷達芯片在自動(dòng)駕駛汽車(chē)和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域越來(lái)越受歡迎。LiDAR 不使用射頻 (RF) 信號，而是使用表面反射的光來(lái)分析和提供有關(guān)道路上發(fā)生的情況的關(guān)鍵信息，并提供有關(guān)汽車(chē)應如何反應的輸入（例如，物體移動(dòng)的方向、可能存在障礙的地方等）。當然，設計任何將用于汽車(chē)行業(yè)的東西都需要考慮許多安全法規。就激光雷達廣泛、大量的消費應用而言，增強虛擬現實(shí)已經(jīng)在一些智能手機中引入。硅光子學(xué)的另一個(gè)可能的大規模應用是人類(lèi)健康測量，包括智能手表和體內植入醫療設備等可穿戴設備的心率、飽和度和水合水平。

與任何產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程一樣，需要仔細考慮哪種技術(shù)最適合特定應用的決策，包括成本、性能要求、上市需要多長(cháng)時(shí)間以及與客戶(hù)現有的關(guān)系等因素。

就像電路中的電壓源一樣，激光器是硅光子電路的電源。目前，由于材料的間接帶隙，不可能在硅中制造光源（或激光器）。這就是為什么磷化銦等材料被用來(lái)制造用于電信和數據通信的波長(cháng)的半導體激光器。

OpenLight 等公司已經(jīng)磨煉了各種技術(shù)，將磷化銦集成到硅光子芯片中，以創(chuàng )建驅動(dòng)光子電路的集成激光器、調制器和探測器。這使客戶(hù)能夠獲得標準制造工藝的優(yōu)勢，并獲得硅光子學(xué)的許多性能優(yōu)勢。此外，可以在同一系統中使用波長(cháng)略有不同的多個(gè)激光器，以進(jìn)一步擴展。過(guò)去，混合連接激光芯片引起了人們對可靠性的擔憂(yōu)，但集成激光器提高了可靠性，并為需要多個(gè)激光器或放大部分的應用開(kāi)辟了可能性。然而，設計人員不應忽視熱問(wèn)題，因為激光器會(huì )產(chǎn)生熱量，在設計電路和封裝時(shí)需要考慮這一點(diǎn)。

硅光子產(chǎn)業(yè)因其帶來(lái)的巨大技術(shù)和經(jīng)濟價(jià)值才剛剛起步。光輸入/輸出 (I/O) 距離核心硅越近（通過(guò) 2.5/3D 異構集成），對通信的影響就越小，這使其非常適合高性能計算和人工智能應用。

材料

硅光子學(xué)領(lǐng)域并不局限于單一基板或材料。傳統上，硅作為光發(fā)射器的效率受限，主要由于其內量子效率較低。但如在硅基底上創(chuàng )建有源光學(xué)元件，硅光子學(xué)已經(jīng)實(shí)現了大規模生產(chǎn)的重大突破。

管理海量數據吞吐量

超高密度光學(xué)芯片利用硅光子學(xué)在單個(gè)芯片上提供更多數量的通道。這對于并行處理大量激光雷達數據點(diǎn)至關(guān)重要，確保系統能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)分析的需求。硅光子的集成可以增強數據處理能力，提高激光雷達系統性能和整體效率。

加快處理任務(wù)

數據傳輸速度是激光雷達系統實(shí)時(shí)處理能力的關(guān)鍵因素。硅光子學(xué)可以將眾多組件集成到單個(gè)芯片上，從而以光速傳輸數據。這與傳統的銅基系統形成鮮明對比，導致處理速度顯著(zhù)加快。組件的整合不僅提高了速度，還提高了整體數據處理效率，減少了延遲并確保實(shí)時(shí)準確地環(huán)境分析。

大廠(chǎng)「循著(zhù)光照的方向」

去年有報道稱(chēng)，臺積電將攜手博通、英偉達等大客戶(hù)共同開(kāi)發(fā)硅光子技術(shù)、共同封裝光學(xué)元件（co-packaged optics，CPO）等新產(chǎn)品，制程技術(shù)從 45nm 延伸到 7nm，最快明年下半年開(kāi)始迎來(lái)大單，并在 2025 年左右達到放量階段。

對于這則傳聞，臺積電表示，不回應客戶(hù)及產(chǎn)品狀況。不過(guò)臺積電高度看好硅光子技術(shù)在未來(lái)的場(chǎng)景。

而在一場(chǎng)半導體座談會(huì )上，臺積電副總余振華也公開(kāi)透露了自己對硅光子技術(shù)的看法：「如果能提供一個(gè)良好的硅光子整合系統，就能解決能源效率和 AI 運算能力兩大關(guān)鍵問(wèn)題。這會(huì )是一個(gè)新的范式轉移。我們可能處于一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)端?！?/span>

對于臺積電來(lái)說(shuō)，此前在該領(lǐng)域主推的產(chǎn)品名為 COUPE（緊湊型通用光子引擎）封裝技術(shù)，其最大的特點(diǎn)是可以降低功耗、提升帶寬。臺積電計劃在一項與英偉達深度合作的研發(fā)項目中嘗試使用，將多個(gè) AI GPU 組合成一塊 GPU。該研發(fā)項目將持續數年時(shí)間，且必須等到硅光子生態(tài)系統成熟才算完成。

21 世紀初開(kāi)始，以英特爾和 IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機構就開(kāi)始重點(diǎn)發(fā)展硅芯片光學(xué)信號傳輸技術(shù)，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數據電路，以延續摩爾定律。

2010 年，英特爾開(kāi)發(fā)出首個(gè) 50Gb/s 超短距硅基集成光收發(fā)芯片后，硅光芯片開(kāi)始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。隨后歐美一批傳統集成電路和光電巨頭通過(guò)并購迅速進(jìn)入硅光子領(lǐng)域搶占高地。目前英特爾也是在硅光領(lǐng)域布局最全面的公司。

在制造工藝上，光子芯片和電子芯片雖然在流程和復雜程度上相似，但光子芯片對結構的要求不像電子芯片那樣嚴苛，一般是百納米級。這大大降低了對先進(jìn)工藝的依賴(lài)，在一定程度上緩解了當前芯片發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。

硅光子學(xué)正在成為一股革命性的力量，有可能超越激光雷達等傳統應用的范圍重塑行業(yè)。這項技術(shù)涉及使用硅基組件來(lái)產(chǎn)生、操縱和檢測光，不僅突破了汽車(chē)創(chuàng )新的界限，而且還在倉庫自動(dòng)化、數據中心和電信等市場(chǎng)取得了重大進(jìn)展。