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硅光技术及其应用分析
作者:刘璐            发布时间:2020-01-13

  全球信息技术正处于创新活跃时期,在新型业务及应用模式的驱动下,数据流量呈爆发式增长,光传输及光互连系统在带宽、成本、功耗和尺寸等方面面临挑战。硅光技术结合了CMOS技术的超大规模逻辑、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势,是一种可解决技术演进与成本矛盾的创新性技术。由于短期无法解决光源等问题,预计硅光在未来相当长的时间内无法完全取代传统III-V族材料,但目前其技术发展势头强劲,产业规模不断扩大,新产品与应用进展也在不断推进,已成为业界持续关注的热点技术。

  一、硅光器件初步成熟,混合集成方案成为主流

  硅是间隙能带材料,不适合作为通信波段光源,不过除光源外的其他无源有源器件如分束器、复用/解复用器、调制器等均已初步成熟,进入可规模化生产阶段。为了解决光源问题,硅光集成芯片通常采用混合集成方案,即在硅片上引入III-V族光源,光芯片与电芯片在各自平台上进行独立设计与制造,之后再进行组装。混合集成灵活度高,前期工艺成本低,但光电芯片之间的键合会引起寄生效应,后期封装成本较高。不过鉴于当前硅基光源的低成熟度,混合集成在未来相当长的时间内仍会占据主导地位。

  二、硅光多技术环节仍面临挑战,国外发展水平领先明显

  目前,硅光的设计工具,即光电设计自动化(EPDA)仿照微电子设计自动化(EDA)流程,但在元件标准化、设计规则检查等方面尚未完全成熟,自动化程度低,用户的普及率也有待提高。国外EPDA软件在传统EDA的基础上融合光学仿真与光器件工艺设计包(PDK),发展迅速。而国内基本没有专业从事EPDA软件开发的商业机构,尚处起步阶段。

  硅光工艺流程需要在标准CMOS工艺基础上增加若干工艺步骤,同时需要针对硅光器件进行大量的工艺参数优化设计,目前面临着自动化程度低、产业标准不统一、器件单元尚未标准化等技术难关。国外的Intel、ePIXfab等已在硅光加工制造方面具有多年技术积累,而国内硅光工艺平台处于起步阶段。

  硅光芯片的封装仍存挑战。光学封装角度:耦合损耗较大;硅基光源效率低,而主流的混合集成方案,生产工艺与封装校准要求严苛。电学封装角度:随着性能的不断提升,平均管脚密度将会大幅度增加,这也会为封装带来很大的挑战。随着硅光向三维集成方向的发展,光芯片将与电芯片统筹设计、制造、封装,且封装过程将与设计、制造过程紧耦合,这有可能使得欧美传统微电子大厂占得先机。

  三、硅光产业规模逐步扩大,纵向整合长期存在

  近年来硅光产业规模逐步扩大。2016年,Yole预测后续硅光技术的整体市场将保持高速增长,2015-2025年的十年间,复合增长率超过45%,到2025年硅光市场规模将超13亿美元。而2018年,Yole将预测规模调整为2024年达到41.4亿美元。

  电子大厂与下游企业切入市场,纵向整合长期存在。硅光技术是光学技术和半导体技术的结合,随着光学和专用集成电路(ASIC)逐步走向共同封装,需要更紧密的设计关系,硅光技术的半导体属性越来越强,在整个产业链中电子公司的地位越来越重要。Intel、IBM、STMicroelectronics、NEC、华为海思等公司均投入研发。下游客户(大型互联网公司、运营商、通信设备厂商等)也尝试通过并购与合作积极布局硅光研发,呈现出下游客户切入中上游制造过程的趋势。这些厂商切入硅光模块,与自身原有的产品相结合将会降低整个设备的成本,如FaceBook于2013年与Intel合作开发数据中心机架,Cisco于2018年宣布收购Luxtera并计划于2020年完成收购Acacia,Ciena、Juniper、华为等领军企业也纷纷通过此方式入局。

  四、新产品与新应用正在起步,规模化发展需找准定位

  数据中心仍为硅光最主要应用场景。数据中心中连接数众多,节点间距离短,适用于数量大、成本敏感但对性能要求不高的模块。尤其是在100G PSM4短距和400G高速应用方面,硅光优势明显。据Yole预测,到2025年,硅光市场超过90%应用将来自于数据中心。

  硅光新领域应用处于早期研发和起步阶段。5G方面,硅光调制器+直流大功率激光器技术在90~95℃高温极端环境中存在用武之地。同时,硅光集成芯片规模商用有望使相干技术降低成本进而大批量应用于5G回传光网络。各厂商针对5G应用也纷纷推出相应产品,如Intel最新的100G硅光收发器可满足5G无线前传应用的带宽需求并符合工业级温度要求,Sifotonics 于OFC2019上展示了适用于远距离5G前中回传应用的雪崩二极管(APD)接收机模块等。高性能计算方面,通过光互连、光神经网络、光量子计算等途径均已实现样机,如初创公司Ayar Labs宣布即将发布一款名为TeraPHY的光电I/O芯片,该芯片基于45nm CMOS SOI工艺,带宽可高达Tb/s。激光雷达方面,初创公司Voyant Photonics、OURS等研制出基于硅光技术的激光雷达测试芯片,具有低成本、高稳定性、高速率等优点。生化传感方面,传统设备的尺寸、成本与灵敏度目前仍然存在问题,而硅光则提供了一种可能的解决方案。IBM公司展示了一种基于硅光技术的芯片级光谱仪,成本大幅降低。Genalyte公司开发了基于硅光传感的快速血液检测系统,宣称只需要1滴血就可以在15分钟内完成128项测试。对于这些新领域来说,整个产业链还处于发展早期,整体出货量低,无法实现 CMOS 大规模生产带来的成本效应,也无法支撑良率提升和生产制造工艺的优化,目前还主要是研究机构和公司的一些初期成果。

  硅光规模化发展需找准定位。硅光技术产品性能及成熟度仍有待提升,下游客户验证也需要时间,短期内实现规模化发展存在挑战。从研发方角度,硅光技术前期投入大,只有得到大量部署其成本优势才会显现;从应用方角度,希望看到成本下降后,才考虑大量使用。两者之间存在一定矛盾,产业规模化发展还需找准定位、进行模式突破。预计硅光将在数量大、成本敏感但对性能要求不高、对集成小型化/光电紧耦合有强烈要求等场景中具有广阔应用前景。


  作者信息:刘璐,博士,中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师,主要从事光器件模块和量子信息技术研究。

  联系方式:010-62304832,13718830797,liulu@caict.ac.cn

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