深入解析硅光子學(xué)

隨著新的制造技術(shù)和設(shè)計工具的出現(xiàn)，硅光子學(xué)的帶寬、延遲和能效優(yōu)勢與提供數(shù)據(jù)驅(qū)動的應(yīng)用和服務(wù)更加接近了。研究人員正在追求多種部署路徑，具體應(yīng)用也許決定了如何最好地利用光來連接芯片組件和計算平臺。

無論你是在關(guān)注數(shù)據(jù)中心架構(gòu)、5G基礎(chǔ)設(shè)施、汽車駕駛輔助或醫(yī)療診斷，遲早都會有一場關(guān)于革命性新技術(shù)的討論。而其中很可能會包括“硅光子學(xué)”。那么，究竟什么是硅光子學(xué)，為什么它在如此多樣的應(yīng)用中受到普遍關(guān)注呢？

對物理學(xué)家來說，光子學(xué)僅僅意味著對光子的研究。但加上硅這個詞，含義就相當(dāng)不同了。粗略地說，硅光子學(xué)指的是使用接近傳統(tǒng)的IC晶圓加工來制造操縱光的結(jié)構(gòu)，以傳輸或處理信息。但這主要是出于市場宣傳的方便，這種描述卻不太精確。并非所有的結(jié)構(gòu)都是由硅制成的，而且“光子學(xué)”不一定是指光的顆粒性質(zhì)，選擇這個詞更可能是因為它聽起來像電子。

這個定義蘊含著很多的希望。利用光來傳輸信息（就像通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域那樣）或處理信息（還在研究階段），在速度和能效方面比電子方法有很大的優(yōu)勢。將其芯片化，就有可能使光子學(xué)共享與電子IC相同的優(yōu)勢，因為IC產(chǎn)業(yè)早已形成了巨大規(guī)模和產(chǎn)業(yè)成熟度。

物理學(xué)的基礎(chǔ)

這些美好前景建立在硅的一些重要物理特性之上。首先，盡管硅可以很好地反射可見光，但它對一些紅外光是透明的。這使得微小的光波導(dǎo)成為可能，它可以在芯片上傳輸光束，就像金屬連線傳輸電流一樣。但光波導(dǎo)可以更快、更有效。

第二，在硅中，光子和電場有時可以相互作用。光可以刺激電流，使光信號轉(zhuǎn)換為電子信號。而電場可以改變硅的光學(xué)特性，使電子信號可以控制光學(xué)開關(guān)和調(diào)制器。

僅憑這些元件加上一些無源元件，如光柵，設(shè)計者就可以把整個簡單的光子子系統(tǒng)放在一個硅芯片上，這一點很有吸引力。在現(xiàn)實中，這個過程可能需要一些先進數(shù)字IC通常不使用的材料，但這些都不是制造的大障礙。

但仍然缺少兩種重要的組件：激光光源和光放大器。它們的缺失是因為物理學(xué)的原因。晶體硅中電子的行為使得電子在釋放能量時很難發(fā)射出光子，因此幾乎不可能用晶圓上的單晶硅制造出好的激光器或光學(xué)放大器。但如果沒有光源，且在許多情況下，如果沒有光放大器，應(yīng)用就無法進行。

尋找光子研究人員在尋找將激光器和放大器引入硅光子設(shè)備的方法時，主要遵循三種途徑。最古老的方法是混合集成，一些供應(yīng)商仍然提倡這種方法。你在所謂的III/V材料中制造激光器和光放大器，如磷化銦（indium phosphide）或砷化鎵（gallium arsenide）。這些材料確實能讓電子輕易地發(fā)出光子。然后通過光纖將這些組件連接到硅光子芯片上。這種方法是成熟的，但它非常占空間，增加了一個或多個額外die的成本。最嚴(yán)重的是，想要低成本地將光纖末端對準(zhǔn)die上的光端口并將其固定在那里仍存在實際問題。目前仍在尋找解決方案，例如，涉及可調(diào)節(jié)的連接器。

第二種方法是異構(gòu)集成。在這里，工程師們在加工過程中把III/V材料貼片機械地粘合到硅片上。然后，在加工過程中，他們制造激光器、光放大器和其他需要在III/V材料中發(fā)射光子的設(shè)備，同時在硅中制造其他光子元件。這可以實現(xiàn)更高的密度（例如，可以采用幾十個微小的激光器），且?guī)缀跸私M件之間的光耦合問題。你只需將激光器和放大器制作在準(zhǔn)確的位置，以便在芯片上使用硅波導(dǎo)。但這意味著需要更復(fù)雜的晶圓加工，且整個子系統(tǒng)依賴于激光器的可靠性，在過去是一個嚴(yán)重的問題，但今天幾乎已經(jīng)解決了。Intel和HP等公司正在采用異構(gòu)集成的方式來生產(chǎn)光收發(fā)器，在某些情況下可以量產(chǎn)。

硅微孔的按比例渲染。有源區(qū)被摻入p型和n型摻雜物，并與后端金屬接觸，形成一個電控的光調(diào)制器。（圖片：Ayar Labs）

還有第三種方法。研究人員正在追求單片式集成：在硅片的晶格上外延生長晶體III/V材料。這種方案將比把材料薄片粘在晶圓的表面上有優(yōu)勢。但事實證明，處理這兩種晶體之間的結(jié)構(gòu)差異非常困難，導(dǎo)致了良率和故障率的問題。這項工作仍在繼續(xù)。

對于未來的發(fā)展方向有兩派觀點。一種也許是更保守的，認(rèn)為在微電子學(xué)的歷史上，單片集成總是最終勝出，提供更高的密度、更低的功耗且最終的成本更低。

另一派則指出，即使是今天的微電子學(xué)也正在從巨大的全單片解決方案轉(zhuǎn)向使用先進的多片封裝技術(shù)的混合集成，如2.5D或真正的3D多片封裝。這種觀點認(rèn)為，未來會有許多芯片，每一個都有自己的專門技術(shù)，在一個復(fù)雜的、高度工程化的封裝中緊密耦合在一起。

將這一觀點稍加概括，包括光子技術(shù)（不一定只基于硅）構(gòu)成該封裝中的一些chiplet。取代芯片之間的高帶寬、低延遲連接的電氣標(biāo)準(zhǔn)，光子學(xué)將需要高密度、容易對齊的波導(dǎo)互連標(biāo)準(zhǔn)，也許是在光學(xué)基板或類似于Intel電子硅橋的某種硅橋。也有可能簡單地通過芯片之間的開放空間進行光束照射。

現(xiàn)在說哪一派的思想會最終勝出還為時過早。

新興的應(yīng)用

目前，硅光子學(xué)在用于通信和網(wǎng)絡(luò)的電-光傳感器領(lǐng)域已得到廣泛認(rèn)可。但不同需求的其它應(yīng)用也正在出現(xiàn)。例如，高性能電路卡（特別是數(shù)據(jù)中心服務(wù)器卡）的設(shè)計者很想其電路板芯片之間有巨大帶寬、低延遲和低功耗的光互連。但對于這種應(yīng)用，你需要在集成電路封裝的邊緣安裝光纖或波導(dǎo)終端。而且，你需要讓電光傳感器體積小、高效、低延遲，還要很便宜，這才能讓許多電光傳感器組合出現(xiàn)在電路板上的每個芯片上或旁邊。所有這些在技術(shù)上都是可行的，但我們還沒有做到。

我們還可以把目光投向光子學(xué)以外的地方，將其作為一種純粹的數(shù)據(jù)移動手段。比如說ADAS和LiDAR。今天的LiDAR系統(tǒng)使用激光脈沖，以機械方式在一個FoV中掃描。他們測量返回光束的ToF來計算距離。

專家們說，下一個重大進步將不是脈沖，而是FMCW LiDAR，在這種LiDAR中，光束是連續(xù)的，在一定的頻率范圍內(nèi)掃描。這樣的光束可以讓ToF傳感器和光譜儀同時測量一個物體的距離和速度。

這在今天的光學(xué)實驗臺上是可能的，但硅光子學(xué)承諾提供所有的組件，從激光到固態(tài)掃描系統(tǒng)到光譜儀，在一個微小的量產(chǎn)封裝中實現(xiàn)。這并不是一個空洞的承諾，Intel/Mobileye在CES 2021上展示了這樣一個封裝的原型。

在醫(yī)療診斷領(lǐng)域，類似的實驗也在不斷成熟。歐洲研究聯(lián)盟Imec已經(jīng)展示了一些使用光作為傳感裝置的診斷儀器。在一個案例中，研究人員將抗體與環(huán)形諧振器（一種光-電轉(zhuǎn)換器）結(jié)合。當(dāng)抗體遇到其特定的抗原時，會與之結(jié)合，稍微改變環(huán)形諧振器的諧振頻率，從而使光子電路能夠檢測到樣品中存在的抗原。

在其他情況下，研究人員能夠使用更傳統(tǒng)的吸收或拉曼光譜來檢測溶液中的特定有機分子，如血液。同樣，產(chǎn)生相對寬光譜的光和執(zhí)行光譜學(xué)的光學(xué)元件是在光子學(xué)中實現(xiàn)的。有趣的是，在這些情況下，僅僅一個窄帶的紅外光是不夠的。研究人員不得不用對可見光透明的不同材料制成的波導(dǎo)取代他們的硅光波導(dǎo)。

在一個完全不同的例子中，研究人員使用了一個激光干涉儀系統(tǒng)（同樣是在硅光子學(xué)中實現(xiàn)的）來測量受試者的皮膚在其脈搏的壓力波通過動脈時的起伏程度。從這個數(shù)據(jù)中，研究人員能夠確定壓力波的傳播速度，這使他們能夠估計動脈壁的硬度和閉塞程度（這是心血管疾病的一個重要指標(biāo)）。因此，醫(yī)生可以在幾分鐘內(nèi)無創(chuàng)地對心血管風(fēng)險作出準(zhǔn)確診斷。

快速、低功耗的計算

這些例子表明，光子學(xué)不僅僅是移動數(shù)據(jù)，而是進行測量，并在一定程度上分析結(jié)果。一些研究人員認(rèn)為這是該領(lǐng)域發(fā)展中最重要一步的開始。他們指出，今天在計算中使用的許多算法都包含可以在光學(xué)模擬計算機中實現(xiàn)的計算需求內(nèi)核。在某些情況下，還有可能使用一束激光的單一脈沖取代數(shù)百萬條機器指令。

提高計算速度和減少功耗的前景是巨大的。而且已經(jīng)有了一些關(guān)于這個概念的簡單演示。例如，賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員已經(jīng)在光學(xué)中構(gòu)建了一個微小的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，展示了其識別印刷字符的能力。原則上，云計算和嵌入式計算都可以利用硅光子學(xué)中實現(xiàn)的算法加速器，就像今天這些領(lǐng)域依靠硅電子加速器來加速AI、視覺處理和數(shù)學(xué)算法一樣。

邁向基礎(chǔ)設(shè)施

目前正在進行的工作需要將大量不同的光學(xué)設(shè)備，包括激光器、波導(dǎo)、放大器、諧振探測器、光柵和更多的設(shè)備集成到硅片上或靠近硅片的地方。

對于一個與半導(dǎo)體工藝工程師合作的光學(xué)物理學(xué)家來說，這是很有吸引力的事情。為了使這項工作對單純的人類設(shè)計團隊來說切實可行，硅光子學(xué)開發(fā)者需要一個像IC設(shè)計師那樣的設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)施：組件庫、布局圖和模擬工具，以及準(zhǔn)備提交給fab的設(shè)計所需的工藝信息。

這樣的設(shè)計環(huán)境已經(jīng)在進行中了。例如，Synopsys已經(jīng)宣布了類似的工具鏈和一些硅光子foundry工藝的設(shè)計套件，并聲稱有1500多個流片。其他公司正在Synopsys工具的基礎(chǔ)上創(chuàng)建相當(dāng)于光子系統(tǒng)的設(shè)計平臺。

隨著光子元件的基礎(chǔ)物理學(xué)越來越成熟，封裝技術(shù)也在迎接挑戰(zhàn)，越來越多的工藝選擇和設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，硅光子學(xué)看起來越來越有能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了它目前在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的地位。

考慮到廉價的，甚至是一次性的硅光子器件的最終前景，它們可以比在硅上運行的軟件更快、以更低的功耗進行測量和執(zhí)行復(fù)雜的計算，不斷增長的能力可能影響到的不僅是微電子，可能還會對社會產(chǎn)生巨大的影響。

審核編輯：黃飛