硅光子芯片科普：助力AI時(shí)代！

隨著(zhù)物理定律與數據量的指數增長(cháng)相沖突，傳統電路縮放正逐漸遇到瓶頸，這迫使芯片制造商將目光轉向硅光子學(xué)，將數據從收集地迅速傳輸到處理和存儲地。

物理定律是永恒不變的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電子在銅導線(xiàn)中的傳輸速度是有限的。盡管在宏觀(guān)尺度上，電子的傳輸速度很快，但隨著(zhù)路徑的縮小，電子會(huì )遇到更大的阻力，導致發(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(guò)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，可以攜帶更多的數據，同時(shí)受到較少的信號衰減。

日月光半導體負責銷(xiāo)售和市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)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(mǎn)足這些需求，光子學(xué)是唯一的選擇?！?/span>

硅光子學(xué)在數據中心中扮演著(zhù)舉足輕重的角色，尤其在高帶寬和高能效的數據傳輸方面。隨著(zhù)人工智能、云計算和物聯(lián)網(wǎng)設備的普及，對于高效數據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(shí)，保持對于更高數據傳輸速率的需求。這些創(chuàng )新表明，硅光子學(xué)在需要快速、海量數據通信的場(chǎng)景中有著(zhù)廣闊的應用前景。

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

根據Vantage Market Research的一份報告，2022年全球硅光子學(xué)市場(chǎng)價(jià)值為12.6億美元，預計到2030年，復合年增長(cháng)率將達到25.7%，市場(chǎng)價(jià)值預計將達到78.6億美元。

除了在數據中心中的應用，硅光子學(xué)在其他領(lǐng)域也占據著(zhù)領(lǐng)先地位，比如在汽車(chē)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(jìn)成像系統、增強現實(shí)(AR)顯示器和超高清全息投影等領(lǐng)域進(jìn)行了創(chuàng )新應用。

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

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

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

日月光半導體首席執行官喬杜里表示：“我們可以看到共封裝光學(xué)器件即將問(wèn)世，人們正在詢(xún)問(wèn)如何將硅光子學(xué)結合起來(lái)?！薄皩⒐鈱W(xué)元件連接到芯片上，然后將多個(gè)芯片連接在一起，這是一個(gè)挑戰?！贝送?，光子電路的設計目前正在經(jīng)歷一次徹底的改革?，F在的芯片設計包括復雜的路由系統和光學(xué)諧振器，如微環(huán)諧振器和陣列波導光柵，它們可以以光速分類(lèi)和引導信息。

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

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

例如，激光雷達依靠激光脈沖來(lái)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(guò)為汽車(chē)安全系統、自動(dòng)駕駛汽車(chē)和環(huán)境監測提供緊湊且具有成本效益的解決方案來(lái)增強激光雷達系統。

硅光子學(xué)也準備徹底改變圖像投影技術(shù)。通過(guò)利用其精確操縱光的能力，硅光子學(xué)可以開(kāi)發(fā)微型高分辨率投影儀，用于從移動(dòng)設備到增強現實(shí)耳機的各種應用。

然而，硅光子學(xué)研究和進(jìn)步的機會(huì )受到有能力生產(chǎn)它們的代工廠(chǎng)數量的限制。開(kāi)放訪(fǎng)問(wèn)的代工廠(chǎng)允許各種商業(yè)客戶(hù)使用其制造設施，對于沒(méi)有資源建立內部生產(chǎn)線(xiàn)的小型公司和研究機構來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。這一瓶頸扼殺了創(chuàng )新，減緩了新光子設計測試和推向市場(chǎng)的步伐。這類(lèi)設備的缺乏可能會(huì )延遲原型制作，并增加小規模生產(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(zhù)只有少數代工廠(chǎng)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(kāi)放的代工廠(chǎng)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(chǎng)的能力。

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

Promex Industries首席運營(yíng)官兼工程副總裁大衛·弗洛姆表示：“從CTE的角度來(lái)看，這些材料的性能通常很差?！耙驗樗鼈兙哂休^低的轉變溫度，你可以很容易地達到一個(gè)點(diǎn)，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(jìn)行優(yōu)化的。它們針對光學(xué)進(jìn)行了優(yōu)化。這就產(chǎn)生了很多問(wèn)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(zhù)增加數據傳輸的帶寬。我們的目標是創(chuàng )造更好的性能和更高的效率?！?/span>

每個(gè)光學(xué)元件——從波導到調制器和光電探測器——都必須以一種保護其功能的方式封裝，同時(shí)也使其能夠與電子元件無(wú)縫交互。此外，封裝必須支持光子結構的穩定，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(dòng)。

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(gè)光學(xué)元件的性能也至關(guān)重要。這包括仔細檢查波導的任何潛在光損耗，評估調制器和檢測器的效率，并徹底評估整體數據傳輸能力。

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

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(diǎn)是在近紅外范圍內具有高折射率和超低光學(xué)損耗，使其在電信領(lǐng)域的應用特別有效。Hydex可以在制造過(guò)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(guò)專(zhuān)門(mén)的溶膠-凝膠工藝生產(chǎn)的，該工藝包括將溶液轉變?yōu)楣腆w凝膠相。從那里，它被進(jìn)一步加工成玻璃。通過(guò)調整條件和前驅體溶液的組成，制造商可以改變玻璃的最終性能，例如其熱光學(xué)系數或相對于包層材料的折射率對比。

光子工程師也在開(kāi)發(fā)可以在同一結構內處理多種模式和偏振光的波導。這意味著(zhù)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(cháng)度復用特性，這極大地提高了光子集成電路(PIC)的數據吞吐量。通過(guò)將波分復用元件直接集成到芯片上，可以同時(shí)使用多個(gè)波長(cháng)的光，從而允許并行數據流——類(lèi)似于在高速公路上開(kāi)辟多條車(chē)道以加快交通流量。