硅光子，将扮演重要角色

光能够以相对较低的功耗传播高数据速率，是一种极好的信息载体。几十年来，硅一直是半导体技术的基石。把这两者结合在一起只是时间问题：一种利用光能的技术，使用将微电子技术推向高峰的同一平台。毕竟，既然已经投入了数十亿美元来完善用于制造微电子的材料和工艺，为什么还要重新发明轮子呢？

于是硅光子学诞生了。首次探索于 1980 年代，并在世纪之交开始获得动力，到现在为止，该技术已实现批量商业化。事实证明，它在数据中心越来越受欢迎，其中基于硅光子学的收发器支持服务器之间的光学连接。

随着世界对数据的渴望与日俱增，以及对降低能源消耗的渴望，该技术有望在未来十年内迅速发展。市场研究机构 Yole Group 预计，2021 年至 2027 年，硅光子市场的复合年增长率 (CAGR) 将达到 36%，届时将达到近 10 亿美元。

Imec 开发的混合 CMOS-硅光子收发器原型

虽然这种增长的主要驱动力是数据中心内的通信，但预计新兴应用程序将不断涌现。硅可能会用于距离越来越短的数据交换，并最终用于同一系统中芯片之间的数据交换。该技术也正在作为汽车激光雷达的基础平台运行，允许自动驾驶汽车在道路上行驶，或者至少帮助司机避免碰撞。

“硅光子是在 300mm 标准半导体晶圆厂生产的。这意味着它可以通过严格的规格和质量控制以及可靠的物流进行生产。这抵消了它的一些局限性，并使其成为与激光等其他技术相结合的有吸引力的基准，”Photondelta 首席技术官 Carol de Vries 解释道。他补充说，初步的市场预测表明，硅光子无论是单独使用还是与其他集成光子学平台结合使用，都将继续存在。“预计到 2040 年，它的市场份额将达到 45%。”

传统上，硅光子 (SiPh) 被理解为基于主导常规电子电路的材料的集成光子学：硅和氧化硅（二氧化硅）。在科学文献中，这种类型的集成光子学通常称为绝缘体上硅 (SOI)，该术语也用于特种半导体技术。

从这个严格意义上讲，SOI 可能是三成员集成光子学家族中最有限的技术，该家族还包括基于氮化硅(SiN) 和磷化铟(InP) 的技术。由于其间接带隙，硅无法产生增益或激光，即该材料不能用于构建有源元件，例如光源和放大器。SiN 也是如此，但这种材料比 SOI 具有更低的光损失和更宽的光谱覆盖范围。

InP 是唯一可以在没有外部帮助的情况下执行所有功能的半导体，但在损耗和光谱覆盖方面也有 SOI 的缺点。如果仅作为光源，Si 和 SiN 平台通常都依赖于与 InP 的某种形式的集成。最好的方法是特定于应用程序。

当然，SOI 的特性足以满足许多有趣的应用。光可以有效地进出芯片，并且可以使用重要的无源元件，例如千兆赫级调制器和光电探测器。除此之外，还可以利用数十年的硅加工经验——300 毫米晶圆、高良率、与 CMOS 的协同集成、各种先进的 3D 集成技术——硅光子的发展空间很大。

然而，越来越多的人将 SiPh 解释为可以在 CMOS 晶圆厂中制造的任何类型的集成光子。在那种情况下，SiPh 和 SiN 变成一个单一的实体，因为后者也与 CMOS 兼容。但有一个警告，Imec 硅光子研究员 Joris Van Campenhout 解释说。“制造具有极低光损失的高端 SiN 波导需要高热预算。这可能与共同集成其他功能不兼容。”

保持 CMOS 兼容性通常会受到限制。Van Campenhout指出：“CMOS 制造环境受到严格控制。某些材料是被禁止的，包括 InP 和其他 III-V 族半导体。” 另一方面，CMOS 的戒律并非一成不变。在过去的几十年里，晶圆厂引入了几种新材料来保持摩尔定律的运行。“如果你有强大的商业案例，一切皆有可能。然而，目前还没有任何集成光子学应用程序能够产生能够保证主流晶圆厂进行此类调整的体积。”

然而，Van Campenhout 指出，未来的用例需要 SiPh 引入新材料，以不断改进性能和成本。例如，随着数据中心收发器中的信号速率超过 200 Gb/s，实现足够的调制器带宽和可接受的光损失变得具有挑战性。这些障碍只能通过在混合物中引入新材料来消除。“用新材料和新功能丰富 SiPh，同时保持最大的 CMOS 兼容性是一个很好的机会。”

通过在前端处理环境之外（即后端生产线）集成“禁用”材料或包含这些材料的组件，可以在遵守 CMOS 规则的同时引入新材料。“今天，尚不清楚什么是最合适的整合水平，以及何时会大规模发生。除了数据和电信，应用研究仍处于起步阶段。您需要集成哪些功能？需要什么规格？对于广泛的应用，这些是我们仍然无法回答的问题。尽管如此，我认为可以公平地说，随着 SiPh 获得关注、商业模式稳固和市场拉动增加，界限将证明不会像以前想象的那么难。”

带有倒装 InP 激光二极管的 300 毫米硅光子晶圆

从历史上看，光通信链路变得越来越短，从连接大陆到家庭和办公室再到数据中心内的服务器。它们会变得更短，在 1-10 厘米范围内，因为芯片之间的电气连接开始失去动力。

目前，这个问题在高性能计算应用的高端最为紧迫。例如，Nvidia 的“一体机数据中心”结合了八个强大的 GPU 和大量内存来处理要求苛刻的机器学习和数据科学工作负载。该系统的性能取决于处理器和内存能否快速有效地交换数据。Van Campenhout 估计，根据当前的电气互连速度，它们将在两代或三代后成为瓶颈。

Van Campenhout 自 2014 年以来一直担任 Imec 光 I/O 研发项目的主管。在过去的十年中，他的研究重点倾向于数据通信和电信应用，但最近，行业对短距离光互连的兴趣急剧增加，他说. “许多公司，包括几家资本充足的初创公司，都在寻求积极部署深度集成的短距离光互连，以提高其高性能计算系统的性能。”

除了其位于鲁汶总部的光学 I/O 研发计划和 SiPh/SiN 原型设计服务之外，Imec 还在荷兰启动了一系列面向应用的硅光子活动。该合作由国家增长基金共同出资，并与 TNO 和 Photondelta 生态系统的其他合作伙伴合作，将重点关注埃因霍温霍尔斯特中心的激光雷达和激光设计以及瓦赫宁根 Oneplanet 的农业食品应用。

“看到荷兰经济部与国家增长基金 Photondelta 的投资真是太棒了。这种财务冲动至关重要，因为该行业在全球范围内都处于投资阶段。此外，这些资助机制也促进了合作。

Photondelta 提供了一个极好的机会来加强霍尔斯特中心内部与本地合作伙伴和跨境合作，”Imec 研发副总裁兼霍尔斯特中心 Imec 总经理 Kathleen Philips 评论道。

“在 Imec NL，我们专注于设计更完整的光子系统，包括电子和算法。我们不仅在构建块上进行创新，还特别致力于通过连接各个学科来创建差异化的 IP。应用领域是农业食品和健康，以及数据通信和汽车激光雷达。此外，霍尔斯特中心的新系统设计活动在我们在比利时的长期光子技术活动与在海尔德兰 Oneplanet 的光子应用研究之间架起了一座桥梁。”

未来，这项技术可能会渗透到更通用的应用程序中。例如，领先的芯片制造商非常重视将他们的芯片“划分”成多个 IC，每个 IC 都有专门的功能（CPU、I/O、高速缓存等）。特别是在这种情况下相对较长的距离，铜线可能无法胜任这些小芯片的互连工作。

这将需要进一步提高带宽和功率效率。在 Imec 的路线图中，目标是每两年将光学子系统的带宽加倍并将每比特功率减半。正如 Van Campenhout 已经解释的那样，这将需要引入可能“破坏”CMOS 兼容性的新材料。但是，如果有一个商业案例可以应对这一挑战，那么它很可能是芯片间光互连。“这将是一段激动人心的旅程，”Van Campenhout 说。