硅光子制造业加速发展！面临生产困境，但潜在应用远不止数据中心……

随着物理定律与数据量指数增长的冲突日益加剧，电路缩放开始遭遇瓶颈，迫使芯片制造商更深入地探索硅光技术，以作为将数据从收集地点传输到处理与存储地点的手段。

物理定律是不可改变的——简单来说，电子在铜中传输的速度是有限的。尽管电子在宏观尺度上的速度很快，但随着路径的缩小，它们会遇到巨大的阻力，导致热量产生和电力效率低下。相比之下，硅光技术通过利用光子的速度来规避这些电气限制，光子以光速传播，不受像铜这样的材料的电阻特性的限制。与电子不同，光子不会产生大量热量，由于它们频率较高，可以携带更多的数据，且信号衰减较少。

ASE负责销售和市场营销的高级副总裁尹昌表示，公司在基板上所能承载的带宽方面已经达到了极限。如果不能满足这些要求，那么光子就是唯一的选择。

▲硅光技术利用光速实现更快的数据传输。来源：ASE

硅光技术在数据中心中扮演着关键角色，数据中心对数据的高速传输和能效要求极高。随着人工智能、云计算和物联网设备的蓬勃发展，对高效数据处理的需求也愈发迫切。在这一背景下，光子集成电路（PICs）以其高数据传输速率和低功耗的特点，为数据中心的高效运行提供了有力支持。这些创新预示着硅光技术在需要快速、大量数据通信的场景中拥有更加光明的未来。

博通公司光学系统营销与运营副总裁Manish Mehta表示：“随着人工智能集群的发展，光学的应用正在迅速增长。从API服务器到汇聚交换机，整个架构都有效地采用了光学技术。”

根据Vantage Market Research的报告，全球硅光子市场在2022年的价值达到了12.6亿美元，并预计到2030年将以25.7%的复合年增长率持续增长，届时市场价值预计将达到78.6亿美元。

除了数据中心，硅光技术还在其他领域引领着技术的发展。例如，在汽车领域的激光雷达技术，它与摄像头和雷达一同被视为物体探测的关键组件。此外，硅光技术还正在革新光学投影技术，为先进成像系统、增强现实（AR）显示器以及超高清全息投影等领域带来革命性的变化。

然而，尽管取得了显著的进步并拥有潜在的市场机遇，现有的制造工艺仍在限制硅光技术组件的可扩展性和大规模生产。由于光学元件制造所需的复杂性和精度，制造过程往往是手工且劳动密集型的。

生产流程

硅光技术将光子集成电路（PICs）的光学功能（如光产生、调制和检测）集成在硅衬底上，使得光学和电子设备能够共同存在于同一集成电路芯片上，从而实现了光电混合集成。

在硅光子器件中，激光的控制和操纵方式与传统集成电路中的电子信号处理方式类似。硅的高折射率对比度使得光能够被紧密地限制在小型组件内，从而能够在较小的空间内创建出复杂的光学电路。硅光技术的一个显著优势在于，它可以利用标准的CMOS制造技术进行生产，这意味着可以使用传统的晶圆生产线上的现有制造设备和材料进行具有成本效益的大规模生产。

然而，整合过程并非易事。Amkor的产品营销和业务发展高级总监Vik Chaudhry表示：“将光集成到芯片上是一个挑战。你需要产生激光，并需要进行光学校准，这对制造业来说是一个全新的领域。”

制造过程首先从对无源光学器件进行成像和蚀刻开始，如波导和耦合器，它们负责引导和调控芯片上的光。接下来制造像调制器这样的设备，能够通过改变穿透它们的光的强度或相位，将电子信号转换为光学信号。最后在接收端，光电探测器将光学信号转换回电子信号，从而完成整个通信循环。

制造波导的过程比制造标准电子电路更为复杂。使用光子作为数据载体面临的一个挑战是它们倾向于沿直线传播。传统光刻技术制造的直线形状，在光通过波导弯曲处传输时，可能导致性能不佳，特别是在急转弯处，可能导致散射和信号损失。

而曲线掩模正好能够解决这个问题。它们允许制造出更平滑、更圆润的角落和更复杂的形状，这些形状更能模拟光子电路中光的理想路径。这使得波导的曲线更加平缓，从而可以显著减少光损耗，提高器件性能。曲线掩模提高了对波导形状的控制精度，使得设计更高效、更紧凑的光子元件成为可能，这在光子电路变得日益复杂和密集的情况下尤为重要。

此外，由于光子不会像电子那样相互作用，因此可以在不产生短路的情况下交叉波导。同一通道中的两个电子会相互排斥，但对于光子而言，可以使用多路复用器（mux）和解复用器（demux）在同一电路上复用信号。

对于光子集成电路（PICs）来说，绝缘体上硅（SOI）晶圆相较于传统硅晶圆更受青睐。SOI晶圆具有显著优势，其顶部设有一层薄硅层，专门用于制作波导，而在其下方则是一层绝缘的埋藏氧化层。这层氧化层通过最小化对衬底的损耗，保持光信号的纯净性。因此，SOI晶圆在光子集成电路的制造中表现出色。

▲通道型硅线波导的横截面结构。来源：半导体工程

图案设定完成后，下一步是进行材料沉积。传统电子制造中使用的硅缺乏实现有效光传输所必需的一些关键特性。问题的核心在于硅的间接带隙特性，这限制了它“激射”或高效发光的能力。由于硅的这种固有特性，我们需要沉积具有直接带隙的补充材料，比如来自III-V半导体家族的砷化镓等，这些材料在光学系统的激光器和LED中得到了广泛应用。

此外，这种间接带隙特性也解释了硅在光探测方面表现不佳的原因。

锗等材料在光电探测器中补充了硅的应用，这是因为它们在电信波长处具有更高效的直接带隙特性。此外，硅的非线性光学特性也表现不足，而这对实现光学开关和波长转换等高级功能至关重要。因此，需要引入具有更强非线性响应的补充材料。

同时，硅的高热光学系数意味着任何温度变化都会显著改变其折射率，进而在光子应用中导致波长漂移，除非进行精确控制。对于电信频率至关重要的光学透明度，我们通常使用氮化硅来实现。

在处理硅的掺杂时，必须十分精细，这对于形成能够调制光在光子集成电路中传输的pn结至关重要。与电子用途的掺杂不同，光子集成电路中的掺杂更侧重于硅与光子的相互作用。这种相互作用决定了光信号调制的效率和清晰度。因此，通常需要将III-V半导体材料直接键合到硅片上，以确保光源和探测器能够正确集成在光子集成电路中。

“硅光技术面临的一大挑战是如何在大量生产环境中应用这些技术，”Vik Chaudhry进一步说道。“我们需要有能够每周重复进行数百万次的工艺流程。目前，硅光技术的制作过程仍然非常依赖人工。在思考如何将其推向大规模生产之前，我们首先需要解决如何以自动化的方式完成光学连接的问题。”

封装问题

高性能封装的严苛要求进一步加剧了向光子学过渡的复杂性。与传统的电子元件不同，光子元件必须精确对准以保持信号的完整性，这通常需要采用更为耗时且成本高昂的有源对准技术。这种对高性能封装的追求提升了组装的难度，使制造商面临着如何经济有效地扩大生产规模的难题。

Vik Chaudhry补充说：“我们可以看到共封装光学器件的曙光已现，人们正在探讨如何将硅光技术整合进来。将光学元件与芯片连接，再将多个芯片连接在一起，这是一个巨大的挑战。”

此外，热管理也是一个需要关注的问题。光子电路对温度变化极为敏感，因此需要采用不会干扰光传输的高级冷却解决方案。这又为封装过程增添了另一层复杂性。

David Fromm，Promex Industries的首席运营官兼工程副总裁表示：“从热膨胀系数（CTE）的角度来看，这些材料的性能通常较差。由于它们的转变温度较低，你很容易达到一个点，即CTE远大于你正在处理的其他周围材料，而且这些材料本身通常不是针对CTE优化的。它们是为了光学性能而优化的，这就引发了许多问题。”

与电子电路相比，封装和组装的成本通常只占一小部分，但光子集成电路（PICs）的集成复杂性却颠覆了这一比例。一些研究估计，光子器件的封装、组装和测试成本高达总模块成本的80%。

 ASE的Chang补充说：“最近，光子学领域引起了很多关注，尤其是在共封装光学方面。我们正在研究许多不同的封装光子工艺，以显著增加数据传输的带宽。我们的目标是创造更好的性能和更高的效率。”

每个光学元件——从波导到调制器和光电探测器——都必须以一种既能保护其功能又能确保其与电子元件无缝交互的方式进行封装。此外，封装必须能够支持光子结构的稳定，尽量减少任何可能破坏光信号完整性的位移或振动。

电子测试和光学测试同样关键，它们共同确保信号路径的完整性和芯片上每个光学元件的性能。这些测试包括仔细检查波导是否存在潜在的光损耗，评估调制器和探测器的效率，以及全面评估整体的数据传输能力。通过这些测试，我们可以确保信号在传输过程中的稳定性和可靠性，以及每个光学元件在芯片上的最佳表现。

最新进展

尽管面临诸多挑战，但也在某些方面取得了进展。其中一项重大突破就是超低损耗波导的研发。目前的关键问题在于如何找到一种方法，使光在通过芯片时信号衰减达到最小。得益于新材料和更精细的制造技术，这一目标现在正逐步成为现实。

工程师们正在研究新旧材料，以提升硅衬底上的光效和控制能力。这包括已经使用了50年的氮化硅（Si3N4）和Hydex玻璃材料。

Hydex玻璃材料以其高折射率和在近红外范围内的超低光学损耗为特点，在电信领域具有特别有效的应用。此外，Hydex在制造过程中还可以根据特定的光机械性能进行定制，从而增加光子组件的集成密度和功能。

Hydex玻璃是通过专门的溶胶-凝胶工艺生产的。该工艺涉及将溶液转变为固体凝胶相，然后进一步加工成玻璃。通过调整前驱体溶液的条件和组成，制造商能够改变玻璃的最终性能，如热光学系数，以及与包层材料相比的折射率对比。

光子工程师们正在开发一种能够在同一结构中处理多种模式和偏振光的波导。这意味着，这些电路可以在不增加物理尺寸的情况下，携带更多的信息。

此外，他们还整合了长度复用特性，这极大地提升了光子集成电路（PICs）的数据吞吐量。通过将波分复用元件直接集成到芯片上，多个波长的光可以同时使用，实现并行数据流，这类似于在高速公路上增加车道以加快交通流量。

不仅如此，光子电路的设计也正在经历一场革新。现在的芯片设计包含了复杂的路由系统和光学谐振器，如微环谐振器和阵列波导光栅。这些谐振器能够以光速对信息进行分类和引导。

然而，随着复杂性的增加，光子集成电路（PICs）需要适应光子元件的热敏感性。因此，诸如片上温度控制系统（如热调谐器和局部冷却）等创新技术正在开发中，以确保PICs在操作环境发生变化时仍能保持稳定的性能。

结论

光子设备在数据中心中已确立了至关重要的地位，它们促进了密集排列的服务器机架和互联存储单元之间的高速、节能通信。然而，硅光技术的潜在应用远不止于数据中心。

例如，激光雷达依赖于激光脉冲来测量距离，并生成精确的环境3D地图。硅光技术能够增强激光雷达系统，为汽车安全系统、自动驾驶汽车以及环境监测提供紧凑且成本效益高的解决方案。

此外，硅光技术也准备彻底改变图像投影技术。通过利用其精确操控光的能力，硅光技术将促进微型高分辨率投影仪的开发，这些投影仪可应用于从移动设备到增强现实头盔的各类场景。

然而，硅光技术的研究和进步机会受到能够生产它们的代工厂数量的限制。开放访问的代工厂允许各种商业客户使用其制造设施，这对于没有资源建立内部生产线的小型公司和研究机构来说至关重要。这一瓶颈抑制了创新，减缓了新光子设计测试和推向市场的速度。此类设施的稀缺可能会延迟原型制作，增加小规模生产商的成本，从而可能抑制光子解决方案的多样性和普及。

此外，硅光技术具有一些特殊要求，比如需要以纳米级精度集成电子和光子组件，因此只有少数代工厂具备制造这些芯片的能力。为了让硅光技术充分发挥其潜力，必须对开放式的代工厂进行投资，以扩大其规模，从而让更多的行业参与者具备创新能力和将产品推向市场的能力。

参考文章：Silicon Photonics Manufacturing Ramps Up (semiengineering.com)