淺談“半導(dǎo)體化”光子學(xué)集成解決方案

光子學(xué)可以促進(jìn)半導(dǎo)體行業(yè)以“光速”前進(jìn)。

光子學(xué)革命正在如火如荼地進(jìn)行中。光子學(xué)最初是一項(xiàng)幕后技術(shù)，深深隱藏在海底和光纖通信的基礎(chǔ)設(shè)施中——但自21世紀(jì)初以來，光纖到戶、高速數(shù)據(jù)通信、智能手機(jī)和便攜式設(shè)備中的3D傳感以及用于自動(dòng)駕駛功能的激光雷達(dá)（LiDAR）解決方案一直在穩(wěn)步增長。這些技術(shù)將光子學(xué)作為其架構(gòu)的一部分，它們的普及，特別是在消費(fèi)類設(shè)備中的普及，為光電子行業(yè)的光學(xué)方面的發(fā)展創(chuàng)造了動(dòng)力。

為了滿足人工智能（AI）的需求，基于光子學(xué)運(yùn)算處理的重要性正在急劇增加。

正如曦智科技（Lightelligence）的聯(lián)合創(chuàng)始人沈亦晨所言：“大約在2015年，摩爾定律開始失效——盡管晶體管仍在變小，但從持續(xù)的微型化中獲得的性能收益已不如以前。更重要的是，開發(fā)下一代更小的器件所需的時(shí)間越來越長。”

人們迫切需要顛覆性的技術(shù)。

對(duì)自動(dòng)駕駛汽車需求的不斷增長顯示出需要提高計(jì)算能力的必要性。隨著汽車制造商面臨客戶對(duì)改進(jìn)自動(dòng)化的日益增長的需求，芯片制造商正在轉(zhuǎn)向光子學(xué)。最初，帶來了解放雙腳的自適應(yīng)巡航控制功能，然后是解放雙眼的輔助攝像頭和接近探測(cè)功能，以及最近隨著車輛向完全自動(dòng)駕駛方向發(fā)展的離手駕駛功能。

這種發(fā)展需要大量的光子學(xué)組件。光子學(xué)技術(shù)能夠精確、快速地監(jiān)測(cè)你周圍的區(qū)域。使用基于光子學(xué)的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的即時(shí)傳輸，使車輛能夠提醒駕駛員附近的潛在危險(xiǎn)，包括行人或其他車輛。

消費(fèi)者表示，他們非常希望在車輛中使用更多的自動(dòng)駕駛技術(shù)——以至于Fortune Business Insights的一份市場(chǎng)研究報(bào)告預(yù)測(cè)，全球自動(dòng)駕駛汽車市場(chǎng)將從2021年的16.4億美元增長到2028年的110.3億美元。

該報(bào)告的亮點(diǎn)包括：“傳感器處理技術(shù)、高清地圖、自適應(yīng)算法的快速改進(jìn)，以及基礎(chǔ)設(shè)施到車輛和車輛到車輛通信技術(shù)的發(fā)展，正在鼓勵(lì)多家公司擴(kuò)大生產(chǎn)能力，并將車輛自動(dòng)化提升到一個(gè)新的水平。”

達(dá)到新的水平將需要微芯片制造商轉(zhuǎn)向光子集成電路（PIC）。PIC能給汽車帶來什么，它們又能在傳輸速度方面給數(shù)據(jù)中心、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療技術(shù)等帶來什么優(yōu)勢(shì)？

PIC可以取代傳統(tǒng)的組裝、集成電子和光子學(xué)組件的方法，這些方法已經(jīng)過時(shí)，而且在資本和勞動(dòng)力方面都很昂貴。使用PIC可以顯著節(jié)省成本和組裝時(shí)間。但對(duì)于許多芯片制造商來說，與標(biāo)準(zhǔn)硅相比，構(gòu)成大多數(shù)光子學(xué)器件的材料都很特殊，并且難以制造，而標(biāo)準(zhǔn)硅是芯片行業(yè)大量投資并希望繼續(xù)支持的材料。光子學(xué)中使用的材料主要用于LED、探測(cè)器、傳感器和成像設(shè)備等。

但根據(jù)Skyquest Technologies最近的一份市場(chǎng)研究報(bào)告顯示，到2028年，全球光子學(xué)市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從7220億美元增長到1.2萬億美元。這種擴(kuò)張是由于人們逐漸意識(shí)到半導(dǎo)體和光電子行業(yè)的傳統(tǒng)方式不會(huì)長期有效而形成的。

市場(chǎng)需要的是一種集成解決方案，以“半導(dǎo)體化”光子學(xué)——使用完整的晶圓級(jí)半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)芯片級(jí)器件。只有通過這種方法，才能生產(chǎn)出數(shù)以億計(jì)的器件，同時(shí)降低其成本、尺寸和功率要求。

1.6T Rx OE——POET Technologies的可插拔解決方案（可擴(kuò)展至1.6 Tbit/s及以上）

通過在單顆芯片上添加光學(xué)器件相互通信以及與電子器件通信的方式，POET Technologies改進(jìn)了廣泛用于芯片間電通信的傳統(tǒng)電中介層（electrical interposer）。

POET將光波導(dǎo)夾在電連接之間，為半導(dǎo)體行業(yè)提供集成光子學(xué)解決方案。POET的平臺(tái)基于該公司專有的光中介層（optical interposer），該裝置僅采用與CMOS兼容的晶圓制造方法生產(chǎn)，并使用標(biāo)準(zhǔn)的高電阻率硅襯底以實(shí)現(xiàn)單顆芯片上所有電子和光子學(xué)組件之間的高速通信。各種各樣的組件（例如激光器、檢測(cè)器、調(diào)制器、光電二極管、驅(qū)動(dòng)器等）都是倒裝芯片，并粘合到光中介層上。已知良好的組件被選擇以適應(yīng)特定應(yīng)用。因此，這種集成在性質(zhì)上是“混合式”的。去年，該公司宣布在其產(chǎn)品設(shè)計(jì)中加入了Lumentum公司的高速直接調(diào)制激光器（DML）。它還使用了Broadcom公司的連續(xù)波（CW）激光器，在其設(shè)計(jì)中加入了同類最佳的組件。

POET的光中介層架構(gòu)以及使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體設(shè)備進(jìn)行組裝和測(cè)試的關(guān)鍵在于其低損耗波導(dǎo)。通過棱鏡光譜表征的波導(dǎo)的材料損耗小于0.3 dB/cm，比在其它硅光子學(xué)技術(shù)中使用的典型小纖芯硅波導(dǎo)的材料損耗約好一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，波導(dǎo)主要是非熱（dn/dT=12pm/°C）和非雙折射的。他們?yōu)樾酒嗣婀饫w耦合設(shè)計(jì)了一種專用的光斑尺寸轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)0.25 dB的端面耦合損耗。

POET光中介層引擎

在傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶圓上增加這些專利波導(dǎo)層對(duì)于實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)的電子和光子學(xué)組件的集成至關(guān)重要。這種集成使得100G至1.6Tbit/s通信的光引擎實(shí)現(xiàn)了世界上最小的芯片級(jí)封裝。在4.5×9 mm的尺寸上，POET光引擎包含了四個(gè)DML、四個(gè)高速光電探測(cè)器、四個(gè)監(jiān)測(cè)光電二極管和一對(duì)多路復(fù)用器/解復(fù)用器。它還減少了總材料成本——這是一個(gè)極具吸引力的特性，在過去兩年的供應(yīng)鏈短缺之后，這一點(diǎn)尤其有意義。該設(shè)備非常小，以至于收發(fā)器模塊制造商可以在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)QSFP-DD模塊內(nèi)安裝四個(gè)引擎，在給定面板密度下，數(shù)據(jù)速率可以提高四倍。

這些首批使用POET光中介層構(gòu)建的集成光子學(xué)芯片和AI-ML加速器芯片的初始客戶包括成熟的芯片制造商和初創(chuàng)公司。他們認(rèn)為混合式集成光電子解決方案對(duì)于為客戶和最終用戶提供先進(jìn)性能至關(guān)重要。

對(duì)于不懈追求數(shù)據(jù)和連接的行業(yè)，光子學(xué)是真正能以光速前進(jìn)的未來的最佳、最可行的途徑。這就不難理解為什么該行業(yè)被預(yù)測(cè)為未來幾年內(nèi)增長最快的技術(shù)領(lǐng)域之一了。

編輯：黃飛

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