硅光制造加速

由于物理定律与数据量的急剧增长相冲突，电路扩展开始遇到障碍，迫使芯片制造商更加仔细地研究硅光子学，将其作为将数据从收集点移动到处理和存储点的一种方式。

物理定律是永恒不变的。简而言之，电子在铜中的传播速度是有限的。电子的速度虽然在宏观尺度上很快，但随着路径的收缩，会遇到巨大的阻力，导致发热和功率效率低下。相比之下，硅光子技术利用光子的速度来规避这些电气限制。光子以光速传播，不受铜等材料电阻特性的限制。与电子不同，光子不会产生大量热量，由于频率更高，可以携带更多数据，并且信号衰减更少。

日月光半导体销售与营销高级副总裁尹昌表示：“各公司在基板承载带宽方面已达到极限。如果无法满足这些要求，那么光子学就是唯一的选择。”

图 1： 光子学利用光速实现更快的数据传输。来源： ASE。

硅光子技术在数据中心中占据着举足轻重的地位，高带宽和高能效的数据传输至关重要。随着人工智能、云计算和物联网设备的激增，对高效数据处理的需求也日益增长。在此背景下，光子集成电路 (PIC) 有助于在降低功耗的同时，持续支持那些需要更高数据传输速率的操作。这些创新预示着硅光子技术在需要快速、海量数据传输的场景中拥有越来越光明的未来。

博通光学系统营销和运营副总裁 Manish Mehta 表示：“随着人工智能集群的增长，光学器件的使用量正在显著增长。从 API 服务器到聚合交换机，该架构实际上都是光学的。”

根据Vantage Market Research的报告，2022 年全球硅光子市场价值为 12.6 亿美元，预计到 2030 年复合年增长率为 25.7%，预期市场价值为 78.6 亿美元。

除了数据中心之外，硅光子学还在其他领域引领着发展，例如汽车激光雷达，它与摄像头和雷达一样，被认为是物体检测的关键。此外，它还彻底改变了用于高级成像系统、增强现实 (AR) 显示器和超高清全息投影的光学投影技术。

尽管取得了重大进展并蕴藏着巨大的市场机遇，但现有的制造工艺却限制了硅光子元件的可扩展性和量产。由于制造光学元件所需的复杂性和精度，制造过程通常需要大量人力和人力。

制造工艺
硅光子学将 PIC 的光学功能（例如光的产生、调制和检测）整合到硅基板上，使光学和电子设备能够共存于同一集成电路芯片上。

在硅光子器件中，激光的控制和操控方式与传统集成电路中的电子信号类似。硅的高折射率对比度使其能够实现严格的限制和微型元件，从而能够在小尺寸内构建复杂的光学电路。硅光子学的一个关键优势是它可以使用标准CMOS制造技术进行制造，从而允许利用传统生产线上现有的制造设备和材料进行经济高效的大规模生产。

然而，集成并非如此简单。“将光集成到芯片上是一个挑战，” 安靠公司产品营销和业务开发高级总监维克·乔杜里 (Vik Chaudhry) 表示。“你必须生成激光，还必须进行光学对准，这对制造来说是一个完全不同的难题。”

制造过程始于对无源光学器件（例如波导和耦合器）进行成像和蚀刻，这些器件负责在芯片上引导和引导光线。调制器等器件通过改变穿过它们的光的强度或相位，将电子信号转换为光信号。在接收端，光电探测器将光信号转换回电子信号，从而完成通信环路。

与标准电子电路相比，创建波导需要更复杂的图案和特性。使用光子作为数据载体的挑战之一是它们倾向于沿直线传播。传统光刻技术的直线形状会导致光在通过波导弯道时性能不佳，尤其是在急转弯时，可能会造成散射和信号损失。

曲线掩模正是为此而生。它们能够创建更平滑、更圆润的拐角和更复杂的形状，从而更精确地模拟光子电路中所需的光路。这使得波导具有更平缓的曲线，从而可以显著减少光损耗并提升器件性能。曲线掩模提高了波导形状的精度和控制能力，从而能够设计出更高效、更紧凑的光子元件，这在光子电路日益复杂和密集的今天尤为重要。

由于光子与电子的相互作用方式不同，因此光子也可以穿过波导而不产生短路。同一通道中的两个电子会相互排斥，但有了光子，就可以使用多路复用器 (mux) 和多路分解器 (demux) 在同一电路上对信号进行多路复用。

对于 PIC 而言，绝缘体上硅 (SOI) 晶圆比传统硅晶圆更受欢迎。SOI 晶圆的优势在于，其顶部包含一层薄硅层，用于制作波导，而下方则包含一层绝缘的埋氧层，可最大限度地减少基板损耗，从而保持光信号的完整性。

图 2：通道型 Si 线波导的横截面结构。资料来源：半导体工程。

一旦图案设定完成，下一阶段就涉及材料沉积。传统电子制造中使用的硅缺乏有效光传输所需的某些关键特性。问题的核心在于硅的间接带隙特性，这阻碍了其“激光”或高效发光的能力。硅的这种固有特性需要沉积具有直接带隙的补充材料，例如砷化镓等III-V族半导体材料，它们广泛用于光学系统中的激光器和 LED。

这种间接带隙也解释了硅的光检测性能不佳的原因。

锗等材料由于其在电信波长下具有更有效的直接带隙特性，在光电探测器中可作为硅的补充。硅的非线性光学特性也存在不足，而非线性光学特性对于光开关和波长转换等高级功能至关重要，因此需要具有更强非线性响应的互补材料。

此外，硅的高热光系数意味着任何温度变化都会显著改变其折射率，除非精心控制，否则会导致光子应用中的波长漂移。为了实现对电信频率至关重要的光学透明度，人们使用了氮化硅。

硅的掺杂必须精妙处理——这对于形成用于调制穿过PIC的光的pn结至关重要。与旨在控制电子流动的电子掺杂不同，PIC的重点在于硅如何与光子相互作用。这决定了光信号调制的效率和清晰度。这通常需要将III-V族半导体材料直接键合到硅晶片上，以确保光源和探测器在PIC内正确集成。

“硅光子学面临的一个挑战是在高产量环境中添加这些技术，”Chaudhry补充道。“你必须拥有能够以每周数百万的产量重复进行的工艺流程。如今，硅光子学仍然是一个非常依赖人工的工艺。我们需要先弄清楚如何以自动化的方式进行光学连接，然后才能考虑将其投入量产。”

封装难题
高性能封装的苛刻要求进一步加剧了向光子学的转型。与传统电子元件不同，光子元件需要精确对准以保持信号完整性，通常使用主动对准技术，这更加耗时且成本高昂。这种对高性能封装的追求也增加了组装的复杂性，使制造商面临着如何经济高效地扩展这些操作的难题。

“我们可以看到共封装光学器件即将出现，人们正在询问如何将其融入硅光子学，”Chaudhry补充道。“将光学器件连接到芯片，然后将多个芯片连接在一起，这是一个挑战。”

此外，还有热管理的问题。光子电路对温度变化高度敏感，需要精密的冷却解决方案，且不干扰光传输。这又给封装工艺增加了一层复杂性。

Promex Industries首席运营官兼工程副总裁 David Fromm 表示 ：“从热膨胀系数 (CTE) 的角度来看，这些材料通常非常差。由于它们的转变温度较低，因此很容易达到 CTE 远高于周围其他材料的程度，而且这些材料本身通常并未针对 CTE 进行优化。它们针对光学性能进行了优化。因此，这会带来很多问题。”

与电子电路相比，封装和组装通常只占成本的一小部分，但集成 PIC 的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模块总成本的 80%。[1]

“最近人们对光子学，尤其是共封装光学器件，产生了浓厚的兴趣，”ASE 的 Chang 补充道。“我们正在研究多种不同的封装光子学工艺，以大幅提升数据传输带宽。我们的目标是创造更佳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——都必须以保护其功能的方式进行封装，同时还要使其能够与电子元件无缝交互。此外，封装必须支持光子结构的稳定性，最大​​限度地减少可能破坏光信号完整性的任何位移或振动。

电子和光学测试对于保证信号路径的完整性和芯片上每个光学元件的性能也至关重要。这包括仔细检查波导是否存在任何潜在的光损耗，评估调制器和检测器的效率，以及全面评估整体数据传输能力。

最新进展
尽管面临挑战，但仍有进步。其中一项突破是超低损耗波导的开发。问题在于如何让光线在芯片中流畅传输，同时最大程度地减少信号衰减。如今，随着新材料和精良制造技术的出现，这一目标正在逐渐实现。

工程师们正在探索新旧材料，以提高硅衬底上的光效率和控制能力。这些材料包括已使用 50 年的氮化硅 (Si3N4)，以及 Hydex 光子玻璃系列材料，Hydex 以其高折射率和近红外波段超低光学损耗为特征，尤其适用于电信领域。Hydex 可以在制造过程中进行精细定制，以获得特定的光机特性，从而提高光子元件的集成密度和功能性。

Hydex 玻璃采用特殊的溶胶-凝胶工艺生产，该工艺将溶液转变为固体凝胶相。之后，进一步加工制成玻璃。通过调整前体溶液的条件和成分，制造商可以改变玻璃的最终性能，例如其热光系数或相对于包层材料的折射率对比度。

光子工程师们还在开发能够在同一结构内处理多种模式和偏振光的波导。这意味着这些电路可以承载更多信息，而无需增加物理尺寸。

此外，他们还集成了长度复用功能，这极大地提高了光子集成电路 (PIC) 的数据吞吐量。通过将波分复用元件直接集成到芯片上，可以同时使用多个波长的光，从而实现并行数据流——类似于在高速公路上开辟多条车道以加快交通流量。

此外，光子电路的设计目前正在经历彻底的革新。如今的芯片设计包括复杂的路由系统和光学谐振器，例如微环谐振器和阵列波导光栅，它们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，PIC 需要适应光子元件的热敏感性。诸如热调谐器和局部冷却等片上温控系统等创新技术正在开发中，以确保 PIC 即使在工作环境发生变化时也能保持一致的性能。

结论：
光子器件已在数据中心中发挥关键作用，促进了密集服务器机架和互连存储单元之间的高速、节能通信。但硅光子学的潜在应用远不止数据中心。

例如，激光雷达依靠激光脉冲来测量距离并生成精确的3D环境地图。硅光子技术可以为汽车安全系统、自动驾驶汽车和环境监测提供紧凑且经济高效的解决方案，从而增强激光雷达系统的性能。

硅光子学也有望彻底改变图像投影技术。凭借其精准操控光线的能力，硅光子学可以助力开发微型高分辨率投影仪，应用于从移动设备到增强现实头戴设备等各种领域。

然而，硅光子学的研究和发展机会受到拥有生产能力的代工厂数量的限制。开放式代工厂允许各种商业客户使用其制造设施，这对于缺乏资源构建内部生产线的小型公司和研究机构至关重要。这种瓶颈扼杀了创新，并减缓了新光子设计测试和上市的速度。此类设施的匮乏可能会延迟原型设计，并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性。

此外，硅光子学的特殊要求，例如需要以纳米级精度集成电子和光子元件，意味着只有少数代工厂有能力制造这些芯片。为了充分发挥硅光子学的潜力，投资扩建这些开放式代工厂至关重要，这将为更多行业参与者提供创新能力，并将产品推向市场。

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