長途通信和數(shù)據(jù)中心是光子元器件的重要應用領域，也加速了光子技術的快速發(fā)展，開創(chuàng)了新的市場和機遇。為更好的滿足行業(yè)需求，科學家們必須解決集成硅光子學在設計、開發(fā)和制造中遇到的瓶頸問題。

　　硅光子技術的領先企業(yè)美國Luxtera公司產品營銷總監(jiān)Brian Welch說道：“看看云計算、搜索和社交網絡中使用的網絡帶寬，人們在運行大型數(shù)據(jù)中心的時候消耗了遠遠超過其他市場的大量帶寬。下一個可以與該規(guī)模相媲美的領域就是無線電5G的推出?！?/p>

　　但我們關心的領域不僅僅是帶寬。集成硅光子學有能力從根本上改變一些計算概念，光電行業(yè)也只是剛剛開始探索集成硅光子學的所有可能性。

　圖為集成硅光子學示意圖

　　硅的重要性

　　在過去，光子器件都是由專門的晶圓廠制造的，通常基于磷化銦（InP）。Inphi的首席技術官Radha Nagarajan表示：“目前很多公司都可以進行更大規(guī)模的硅制造，硅片采用8英寸或12英寸晶圓（200mm或300mm），而InP則采用3英寸或4英寸晶圓（100mm），制造規(guī)模是不同的。硅通常采用植入物等制造工藝，但這在InP中不常見，在InP中通常是了利用蝕刻的方式形成某些結構，然后鈍化它們。”

　　Luxtera公司的Welch指出，除了成本低廉之外，硅光子技術的產量也非常高?！叭绻褂肅MOS代工，它們的產量是無與倫比的。過去，生產緩慢推遲了光學解決方案的采用。”

　　300mm晶圓的另一個優(yōu)勢是代工廠更有可能使用先進的制造技術。Welch補充說：“雖然光子器件不需要很好的光刻技術，但它不會受到傷害，與晶體管相比，這些結構相當龐大，大多數(shù)光學結構具有無限的帶寬，所以它們不需要像縮放CMOS那樣需要縮放以使其速度更快。”

　　事實上，談論節(jié)點尺寸對光子器件來說并不合適。Nagarajan指出：“光子的波長比電子的波長大得多，這就是電子產品可以進入7nm節(jié)點的原因。然而，標準硅光子器件都在130nm或180nm節(jié)點，通常使用245nm光刻線。光學器件與電子器件不同之處在于它們相位敏感，且側壁粗糙度和損耗都是重要指標。光刻和蝕刻的質量與更精細的節(jié)點一致，但規(guī)模更大?！?/p>

　　雖然您可能不想使用7nm節(jié)點，但其開發(fā)可能會間接為您提供幫助。Cadence杰出工程師Gilles Lamant指出：“我們在減小門線粗糙度方面所取得的所有進展都是可行的，代工廠正在投資以更好的實現(xiàn)光子工藝的產量和控制。你會發(fā)現(xiàn)，當你聽到GlobalFoundries說他們將他們的平臺移動到更大的晶圓廠或更現(xiàn)代化的晶圓廠時，這不僅意味著每個晶圓的失敗率更高，而且意味著他們的目標是更先進的設備和更好的控制?！?/p>

　　現(xiàn)在的問題是光子學不使用傳統(tǒng)的CMOS工藝，并且限制了愿意制造器件的代工廠的數(shù)量。Welch表示：“你想使用制造廠中存在的所有工具，同時我們希望盡可能少的偏差。我們不需要特殊的不限或者特殊的工具，我們希望我們的晶圓可以像先進CMOS一樣運行。這就是我們獲得成本和規(guī)模的方式。這項技術有很多工作要做，雖然在這方面看起來相當簡單，但這很具挑戰(zhàn)性。”

　　而某些挑戰(zhàn)依然存在。Nagarajan指出了一個大問題：“你需要鍺作為探測器的原料，然而純鍺的生長仍然是一個挑戰(zhàn)?！?/p>

　　集成

　　集成是數(shù)據(jù)中心的驅動因素。Welch表示：“集成非常重要，因為它降低了成本。在優(yōu)化成本或降低功耗的同時，將朝著更高集成度發(fā)展。這對銅來說也是一樣的。它曾經有分立的物理層，但隨著時間的推移，它們在交換機后面以更高的密度集成。集成在光學領域也將發(fā)揮同樣的作用?！?/p>

　　在光子學中有兩種典型的集成方法。第一種使用混合晶片，直接在CMOS裸片上集成光子元件，因此CMOS晶體管與光子元件在同一襯底上。這是Luxtera采取的方法。但是，大多數(shù)人仍然在做一個多芯片設計——它有一個光子晶片和一個電子CMOS晶片。

　　西門子公司IC設計小組的產品營銷經理Chris Cone說：“光子芯片的制造成本通常較低。它們是在較低的技術節(jié)點（如130或65納米）下生產的，而且光子晶片的尺寸往往更大。 這意味著它們可以被倒裝結合，并且在其上面粘合CMOS芯片。我們在這方面看到了很大的進展。設想一個CMOS晶粒倒裝在一個光子晶片的頂部，而這個晶粒有點大，所以你可以用它作為插件。然后，您需要訪問CMOS裸片，并需要采用某種形式的硅通孔（TSV）方法來訪問電信號?！?/p>

　　激光本身仍然存在一個重大問題。EV集團業(yè)務發(fā)展副總裁Martin Eibelhuber說：“一個主要問題是有源光學元件的集成，它們通常是基于化合物半導體的激光器。由于硅基器件無法滿足這些激光器的性能，因此需要異質材料集成，這對標準CMOS基礎結構并不常見。直接晶圓鍵合已被證明是結合不同材料的極佳方法——以低成本實現(xiàn)高質量集成。由于幾何約束，全硅晶片鍵合方法對于硅光子學不是優(yōu)選的，因此開發(fā)了利用等離子體激活的直接鍵合的多芯片轉移工藝?！?/p>

　　設計流程

　　當前我們需要完善技術所需的工具、工藝和流程。Synopsys光學解決方案事業(yè)部研發(fā)部門主管Tom Walker說：“我們正在努力將光子設計提升到更高的水平，同時實現(xiàn)更好的自動化。這兩個因素對于幫助更多設計師開發(fā)定制光子集成電路設計至關重要。”

　　這一切都始于工藝設計工具包（PDK）。Nagarajan說：“Synopsys和Cadence都在增加這方面的產品。Synopsys剛剛收購了這個領域的一家公司（PhoeniX Software）。 PDK需要自動化，并與Mentor設計規(guī)則檢查工具（DRC）和Cadence工具進行結合，這些工具可以實現(xiàn)仿真/數(shù)字仿真和Synopsys的等效工具。有一整套光學工具需要移植到這些流程中。這還有很長的路要走?！?/p>

　　Walker解釋道：“設計過程分為不同的層次。每個層次都向設計師展現(xiàn)了越來越抽象的功能，同時隱藏了底層的內部工作。第一級對應于物理布局。在此，控制幾何形狀和材料屬性以創(chuàng)建定義組件和連接的結構。其他級別是電路級別，信號行為通過將各個組件連接到電路來定義。

　　在模擬世界中，下一個層次通常稱為參數(shù)化單元或PCell。Nagarajan繼續(xù)說道：“如果您的設計主要采用基于PCell的標準代工廠，那么設計環(huán)境適合自動化。您可以購買一個IP內核并將其納入其中。如果你處于高端市場，那么你正在設計出一個極其出色的產品，這往往是一個專家驅動的過程。盡管這些工具遠不及電子產品或普通可用IP核的復雜程度，但一些代工廠已經開始提供PCells?！?/p>

　　設計的另一面是驗證。Cadence的Lamant說：“當你談論機架的頂部到底部或卡的左到右時，能夠進行全系統(tǒng)仿真開始變得非常有趣。你需要將AMS與光學模擬器結合在一起。如果沒有模擬，你只需要簡單計劃并投入足夠的中繼器，但對于較短的距離，你想嘗試優(yōu)化它并盡量減少能源消耗?！?/p>

　　光學元件的集成也產生了一些有趣的新挑戰(zhàn)。Lamant補充道：“光線有反射的趨勢，所以你有前向傳播的光，但有一定數(shù)量的光線會反射回來，而且你確實需要建模。這是混合光學模擬器真正起作用的地方。如果你有一種使用數(shù)學模型傳播信號的方法，比如Verilog-A，向后傳播需要很多額外的方程?！?/p>

　　在電子和光子聚集在一起的地方出現(xiàn)了另一系列問題。Mentor公司的Cone說：“當你驅動一個光子接口時，你遇到了很多噪音和大量熱量的問題，這必須考慮在內。沒有人提供這種能力。這一切都歸結為接口，它非常高速，以每秒幾十千兆位的速度運行，一個開關驅動調制器上的結點或移相器，并產生一個您必須考慮的EMI簽名。同樣，從光電探測器開始，你會有一個非常敏感的輸入進入跨阻放大器。你必須屏蔽來自電路其他部分的噪聲?！?/p>

　　這種電活動以及它產生的熱量可能會給光學器件帶來困難。Lamant指出：“只需將溫度改變1°C，就可以看到光線的巨大變化。有一些很好的方法可以調整光路，雖然這可能是一個優(yōu)勢，但我周圍的所有電子設備的變化速度都很快，帶來了超過1°C的變化。所以這是一個非常敏感的調整機制，也是一個大問題。這是一個投資和研究領域。我們需要以動態(tài)的方式更好地理解熱效應。對于電子產品來說，它通常被視為二階效應。但對于光學來說，散熱是一種一階效應。如果您從制造廠的PDK中查看組件，則會看到許多熱調整組件。所以它不是在驗證階段就能夠離開的東西。這是一個一級效應。”

　　Lamant解釋說，光子電路需要找到熱平衡。當你想要創(chuàng)建光子學中的零點時，你要么嘗試調整相位或者使它們不對準，以產生建設性或破壞性的干擾。通過加熱一些東西來調整受影響的相位偏移，從而向前或向后移動物體。

　　EDA正在應對這些挑戰(zhàn)。然而，Cone有一個警告：“光子學與電子學非常不同，我們需要為領域提供解決方案以滿足他們的需求，而不是試圖迫使光子學領域遵守嚴格的EDA設計規(guī)則，我不相信這是正確的做法?！?/p>

　　前途光明

　　盡管光子學不會像走上電子學和摩爾定律那條道路，但光子行業(yè)已經開始提高光子電路的可能性。Lamant指出了MIT的一個有趣的發(fā)展：“Light Matter有一個光子學乘法器，用于機器學習中應用矩陣系數(shù)。光子電路本身非常簡單，但正在執(zhí)行的功能卻非常復雜?！?/p>

　　矩陣乘法是機器學習中的性能限制器，并且消耗大量的功率。對于光學等效物，它可以以更快的速度和少量的功率執(zhí)行。

　　其他應用程序可能會被發(fā)現(xiàn)。Lamant警告說：“一個重要的考慮因素是數(shù)據(jù)必須轉換成適合光學的形式，而且需要能量。因此，其中一個折衷方案是，是否值得將電子信息轉換為光信息，以便可以在光學加速器內消耗和處理。或者更好地將其用作電子產品并支付更高的成本，這是一個系統(tǒng)級的折衷?！?/p>

　　Cone指出另一個有趣的研究線。“看看HPE實驗室和機器，這是一種內存驅動計算的形式。他們提供了計算的未來愿景，這是基于光子學的?！?/p>

　　在硅光子學中，您有大量節(jié)點通過單根光纖連接，并且它們幾乎都是瞬間互相對話。Cone表示：“這改變了我們對系統(tǒng)級芯片架構的了解，所有這些都基于電子連接。企業(yè)意識到他們不需要使用傳統(tǒng)架構，所有架構都是模塊化的，并通過一些接口進行交流?！?/p>

　　集成硅光子技術變得越來越重要，必要的工具和流程也已日趨成熟。在未來硅光子集成技術將提出更新穎的方式為光子學領域提供便利。