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硅光子是光通信走向集成的唯一选择

2018-12-27
王伟
关键词: 硅光子 光通信

  所谓硅光子集成技术,是以硅和硅基衬底材料(如 SiGe/Si、SOI 等)作为光学介质,通过互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的集成电路工艺制造相应的光子器件和光电器件(包括 硅基发光器件、调制器、探测器、光波导器件等),并利用这些器件对光子进行发射、传输、检测和处理,以实现其在光通信、光互连、光计算等领域中的实际应用。硅光技术的核心理念是“以光代电”,即采用激光束代替电子信号传输数据,将光学器件与电子元件整合至一个独立的微芯片中。在硅片上用光取代传统铜线作为信息传导介质,大大提升芯片之间的连接速度。

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  硅光子芯片示意图(source:IBM)

  硅光子芯片结合了以微电子为代表的集成电路技术的超大规模、超高精度的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势。硅光子技术能够解决400G通信时代需要面对的PAM4电调制方案带来的巨大损耗和8*50G的QSFP-DD方案引发的器件数量增加与工作带来温度提升带来的温漂等挑战性问题。

  集成硅光子的时代将来临

  硅光子架构主要由硅基激光器、硅基光电集成芯片、主动光学组件和光纤封装完成,使用该技术的芯片中,电流从计算核心流出,到转换模块通过光电效应转换为光信号发射到电路板上铺设的超细光纤,到另一块芯片后再转换为电信号。

  硅光子(SiP)实现廉价且规模生产的光连接,从根本上改变光器件和模块行业。未来三五年内,这种情况还不会发生,但硅光子技术可能在下个十年证明它是破坏性。基于硅光子的光连接与电子ASIC、光开关,或者(可能)新的量子计算设备的集成,将打开一个广阔的创新前沿。

  预计到2022年,硅光子光收发器市场将超20亿美元,在全球光收发器市场中占比超20%。从出货量来看,到2022年,硅光子光收发器在总光收发器出货量中的占比将不到2.5%。这些产品中的大多数将是高端产品--100G或以上速率,因此定价也相对较高。

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  这似乎与许多业内专家的期望相悖,即希望硅光子能实现廉价且规模生产的光连接,并且取代现有的InP和GaAs平台。然而,如果硅光子的主要优势是集成,它将会是最适合需要大量集成的复杂高端设备的技术。未来十年或二十年,分立、2X和4X集成产品(将2个或4个光功能组合到单个发射器或接收器上面)将持续依赖InP和GaAs技术。事实上美国在InP等光集成领域同样取得了领先世界的成就,由于硅并不能直接产生激光,相比InP材料存在一定弱势,其商用步伐也落在InP材料器件之后。光集成一定是光通信器件的发展方向,很难说未来三五年各种光集成技术将取得怎样的突破,所以硅光子能在多大程度上成功替代还有待观察。

  但是在支持者眼中,硅光子几乎是光通信走向集成的唯一选择。一方面是因为在硅光子领域已经走得很远,尤其是美国。另一方面,许多硅光子学可以利用的新应用,包括高性能的电脑、电信、感测器、生命科学以及量子运算等高阶应用。此外,还有两项新兴应用对于硅光子而言也特别令人感兴趣--瞄准自动驾驶车应用的雷达(Lidar),以及生物化学与化学感测器,均可从整合的光学功能以及进一步的微型化中受益。而且硅光子晶片将会远远超越铜布线的能力,而其解决方案可望部署于高速的讯号传输系统中。

  硅光子芯片的难题

  硅光子早在1980年代的电子行业便处于成熟阶段,但在光电子行业还有一些挑战需要克服,包括光源(低成本、低速率<50Gb/s)、更小调制器(便宜、更好的峰值驱动性能、低功耗)、水平封装及晶圆规模化测试、设计和软件(光学软件定制化和客制化)、成熟的供应链及制造工艺。

  正如中国电子科技集团公司第三十八研究所的郭进、冯俊波和曹国威在其题为《硅光子芯片工艺与设计的发展与挑战》的论文中所指出,与微电子工艺相比,硅光子在总体路径、版图、工艺和材料方面都有其特殊性,那么在工艺的开发过程中就必须考虑到温度预算、污染控制和关键工艺等问题。他们指出,硅光子集成的工艺开发路线和目标比较明确,困难之处在于如何做到与 CMOS 工艺的最大限度的兼容,从而充分利用先进的半导体设备和工艺,同时需要关注个别工艺的特殊控制。硅光子芯片的设计目前还未形成有效的系统性的方法,设计流程 没有固化,辅助设计工具不完善,但基于 PDK 标准器件库的设计方法正在逐步形成。如何进行多层次光电联合仿真,如何与集成电路设计一样基于可重复 IP 进行复杂芯片的快速设计等问题是硅光子芯片从小规模设计走向大规模集成应用的关键。