光和電的碰撞，硅光子技術(shù)如何引領(lǐng)創(chuàng)新？

從新思科技與瞻博網(wǎng)絡(luò)（Juniper Networks）新成立的硅光子合資公司OpenLight，到英特爾在多波長(zhǎng)集成光子學(xué)領(lǐng)域取得的進(jìn)步，硅光子技術(shù)無(wú)疑正處在風(fēng)口上。硅光子技術(shù)是指使用CMOS工藝來(lái)制造光子電路，這一方法不僅能夠利用半導(dǎo)體晶圓級(jí)的制造能力，也讓那些利用光特性進(jìn)行計(jì)算、通信、傳感和成像的新型電子應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)凸顯，所以硅光子技術(shù)越來(lái)越多地用于光學(xué)數(shù)據(jù)通信、傳感、生物醫(yī)學(xué)、汽車、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和人工智能（AI）等領(lǐng)域。 最近發(fā)現(xiàn)，硅光子技術(shù)的主要挑戰(zhàn)是增加分立的激光器作為光子電路“光源”所產(chǎn)生的成本，包括制造成本，以及將這些激光器集成并排列到光子芯片上的成本。本文將從硅光子行業(yè)的宏觀層面，詳細(xì)闡述包括電子集成的優(yōu)勢(shì)、如何加速各個(gè)市場(chǎng)的光子芯片設(shè)計(jì)、以及各家公司為什么有意轉(zhuǎn)向集成激光器等問(wèn)題。

什么是硅光子技術(shù)？

光具有波粒二象性，這意味著光能夠像波或粒子那樣運(yùn)動(dòng)，而且這種行為是可以操控的?！肮鈱W(xué)”一詞是指對(duì)光的研究，這里的光通常指人眼可見(jiàn)的光，例如汽車前照燈發(fā)出的光、放大鏡等透鏡反射的光等。“光子學(xué)”一詞則代表著在小得多的尺度（小于幾微米）下反射或操縱光的系統(tǒng)。集成光子技術(shù)則是指使用半導(dǎo)體技術(shù)通過(guò)晶圓來(lái)制造光子系統(tǒng)。 換句話說(shuō)，硅光子技術(shù)是一種基于材料的平臺(tái)，借助該平臺(tái)，開(kāi)發(fā)者們可以利用絕緣體上硅（SOI）晶圓作為半導(dǎo)體襯底材料，來(lái)制造光子集成電路（PIC）。這項(xiàng)技術(shù)目前非常受歡迎，而且從技術(shù)角度也更切實(shí)可行了。 最初，集成光子技術(shù)主要用于電信和長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中，并摻雜石英玻璃、鈮酸鋰或磷化銦等材料作為表面材料。但是，絕大多數(shù)半導(dǎo)體行業(yè)為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量和低成本，通常是使用硅作為制造集成CMOS電路的主要材料。 由于光子的物理特性，它非常適合在成熟的CMOS工藝節(jié)點(diǎn)上采用，用以設(shè)計(jì)和制造光子器件和電路。如今，硅光子技術(shù)已經(jīng)利用成熟的CMOS工藝制造和設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)，開(kāi)始構(gòu)建集成光子系統(tǒng)，而該生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)證明具有非常高的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。

硅光子技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)在，硅光子行業(yè)可以在晶圓上有效地制造PIC，PIC的其中一項(xiàng)主要優(yōu)勢(shì)是它們能夠?qū)崿F(xiàn)、擴(kuò)展和增加數(shù)據(jù)傳輸。傳統(tǒng)的長(zhǎng)距離連接是通過(guò)銅來(lái)互連的，但面對(duì)日益增長(zhǎng)的帶寬和能耗需求，銅互連的效果逐漸接近極限。現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)開(kāi)始使用光來(lái)連接，因此在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中可以更多實(shí)現(xiàn)短距離連接。將光連接到距離接口ASIC更近的地方是當(dāng)下的最新趨勢(shì)，即從可插拔光收發(fā)器移到與接口處于同一封裝內(nèi)的光學(xué)I/O芯片中。這樣做可以縮短高速SerDes鏈路的距離，從而降低I/O的總體能耗。

硅光子應(yīng)用

除數(shù)據(jù)中心外，硅光子技術(shù)還可用于傳感應(yīng)用領(lǐng)域，比如用于幫助確定周圍環(huán)境特性的光學(xué)傳感、信號(hào)傳輸，以及反射或傳輸光信號(hào)等。這種傳感活動(dòng)對(duì)于健康和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)也十分有幫助，如診斷和分析、消費(fèi)類健康穿戴應(yīng)用，以及用于工業(yè)自動(dòng)化和自動(dòng)駕駛的激光雷達(dá)等。 固態(tài)激光雷達(dá)芯片在自動(dòng)駕駛汽車和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域越來(lái)越受重視。激光雷達(dá)不使用射頻信號(hào)，而是利用表面反射的光來(lái)分析和傳遞關(guān)鍵的路況信息，并提供有關(guān)車輛應(yīng)對(duì)措施的信息（例如，物體移動(dòng)的方向、可能存在障礙物的位置等）。當(dāng)然了，在設(shè)計(jì)任何汽車有關(guān)的產(chǎn)品時(shí)，安全規(guī)定都必須考慮在內(nèi)。 在激光雷達(dá)廣泛、大規(guī)模的消費(fèi)應(yīng)用方面，一些智能手機(jī)中已經(jīng)引入了增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。所以，硅光子技術(shù)的另一個(gè)潛在大規(guī)模應(yīng)用是通過(guò)智能手表和植入式醫(yī)療設(shè)備等可穿戴設(shè)備對(duì)人體進(jìn)行健康測(cè)量，包括心率、血氧飽和度以及水合程度。

向集成激光器轉(zhuǎn)變

就像電路中的電壓電源一樣，激光器是硅光子電路的光源。目前，由于材料的間接帶隙，我們無(wú)法在硅材料中制造光源（或激光）。這就是為什么會(huì)使用磷化銦等材料來(lái)制造適用于電信及數(shù)據(jù)通信波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器。 OpenLight等公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多項(xiàng)技術(shù)，可將磷化銦集成到硅光子芯片中，用來(lái)制造驅(qū)動(dòng)光子電路的集成激光器、調(diào)制器和檢測(cè)器。此外，同一系統(tǒng)中可以使用多個(gè)波長(zhǎng)略有不同的激光器，從而進(jìn)一步擴(kuò)展功能。以前，開(kāi)發(fā)者們比較擔(dān)心混合連接的激光裸片的可靠性，但集成激光器解決了這一擔(dān)憂，它提高了可靠性，讓開(kāi)發(fā)者們能夠開(kāi)發(fā)需要多個(gè)激光器或放大截面的應(yīng)用。此外，散熱問(wèn)題也不容小覷，因?yàn)榧す馄鲿?huì)產(chǎn)生熱量，因此在設(shè)計(jì)電路和封裝時(shí)需要把散熱考慮在內(nèi)。 硅光子技術(shù)將會(huì)帶來(lái)巨大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，目前硅光子產(chǎn)業(yè)才剛剛起步。光接口（I/O）離核心芯片越近（通過(guò)2.5D/3D異構(gòu)集成來(lái)實(shí)現(xiàn)），通信的代價(jià)就越小，因此硅光子技術(shù)非常適合高性能計(jì)算和人工智能應(yīng)用。無(wú)論硅光子技術(shù)的未來(lái)發(fā)展如何，新思科技都會(huì)在此領(lǐng)域不斷投資和創(chuàng)新。

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