硅光子已成為未來趨勢

當(dāng)格芯推出硅光代工平臺，誓要成為領(lǐng)先硅光子代工廠；長電科技預(yù)測硅光封裝成為未來趨勢之時，這項早在上世紀提出的技術(shù)，正悄悄改變著半導(dǎo)體行業(yè)。

云時代帶來的海量數(shù)據(jù)、逼近極限需要解決的節(jié)點間隙，這些可以通過光子解決的問題，正一步一步推動著硅光子前行。

阿里巴巴達摩院發(fā)布的2022十大科技趨勢中，硅光芯片是其預(yù)測的趨勢之一。隨著云計算與人工智能的大爆發(fā)，硅光芯片迎來技術(shù)快速迭代與產(chǎn)業(yè)鏈高速發(fā)展。達摩院預(yù)計未來三年，硅光芯片將承載絕大部分大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)的高速信息傳輸。

光網(wǎng)絡(luò)模塊市場預(yù)計2021年至2026年間的復(fù)合增長率為26％，到2026年可能達到40億美元。目前，硅光子技術(shù)主要用于通信領(lǐng)域，后續(xù)將逐步擴展到人工智能 （AI）、激光雷達和其他傳感器等新興應(yīng)用中。

硅光技術(shù)發(fā)展優(yōu)勢

在硅光子技術(shù)中，芯片的概念由原先的激光器芯片延伸至集成芯片。從結(jié)構(gòu)上看，硅光芯片包括光源、調(diào)制器、波導(dǎo)、探測器等有源芯片及源芯片。

硅光芯片將多個光器件集成在同一硅基襯底上，一改以往器件分立的局面，芯片集中度大幅提升。硅光子技術(shù)主要有以下三大優(yōu)勢：

①集成度高。硅光子技術(shù)以硅作為集成芯片的襯底。硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅CMOS工藝制作光器件。

與傳統(tǒng)方案相比，硅光子技術(shù)具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的集成度。

②成本下降潛力大。在光器件和光模塊中，光芯片的成本占比較高。傳統(tǒng)的GaAs／InP襯底因晶圓材料生長受限，生產(chǎn)成本較高。

近年來，隨著傳輸速率的進一步提升，需要更大的三五族晶圓，芯片的成本支出將進一步提升。與三五族半導(dǎo)體相比，硅基材料成本較低且可以大尺寸制造，芯片成本得以大幅降低。

③波導(dǎo)傳輸性能優(yōu)異。硅的禁帶寬度為1．12eV，對應(yīng)的光波長為1．1μm。因此，硅對于1．1—1．6μm的通信波段（典型波長1．31μm／1．55μm）是透明的，具有優(yōu)異的波導(dǎo)傳輸特性。

此外，硅的折射率高達3．42，與二氧化硅可形成較大的折射率差，確保硅波導(dǎo)可以具有較小的波導(dǎo)彎曲半徑。

格芯推出新一代硅光子平臺Fotonix

格芯近日宣布，它正在與包括博通（Broadcom）、Cisco Systems， Inc、Marvell 和英偉達（NVIDIA）等公司，以及包括 Ayar Labs、Lightmatter、PsiQuantum、Ranovus 和 Xanadu 在內(nèi)的突破性光子領(lǐng)導(dǎo)者合作，以提供創(chuàng)新、獨特、功能豐富的解決方案，來解決當(dāng)今數(shù)據(jù)中心面臨的一些最大挑戰(zhàn)。

GF Fotonix 是一個單片平臺，也是業(yè)內(nèi)第一個將其差異化的 300mm 光子學(xué)特性和 300GHz 級 RF－CMOS 集成在硅晶片上的平臺，可以大規(guī)模地提供一流的性能。

GF Fotonix 通過在單個硅芯片上結(jié)合光子系統(tǒng)、射頻 （RF） 組件和高性能互補金屬氧化物半導(dǎo)體 （CMOS） 邏輯，將以前分布在多個芯片上的復(fù)雜工藝整合到單個芯片上。

GF Fotonix 可在光子集成電路 （PIC） 上實現(xiàn)最高水平的集成，因此客戶可以集成更多產(chǎn)品功能，并簡化其材料清單 （BOM）。

終端客戶可以通過增加容量和能力來實現(xiàn)更高的性能。新解決方案還支持創(chuàng)新的封裝解決方案，例如大型光纖陣列的無源連接、2．5D 封裝和片上激光器。

GF Fotonix 解決方案將在公司位于紐約馬耳他的先進制造工廠生產(chǎn)，PDK 1．0 將于 2022 年 4 月推出。EDA 的合作伙伴 Ansys、Cadence Design Systems， Inc． 和 Synopsys 提供設(shè)計工具和流程，以支持格芯的客戶及其解決方案。

格芯為客戶提供參考設(shè)計套件、MPW、測試、制程前后、和半導(dǎo)體制造等服務(wù)，以幫助客戶更快地進入市場。

中國硅光子芯片的研究

工信部發(fā)布的《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018—2022年）》指出，目前高速率光芯片國產(chǎn)化率僅3％左右，要求2022年中低端光電子芯片的國產(chǎn)化率超過60％，高端光電子芯片國產(chǎn)化率突破20％。

國家層面，支持硅光技術(shù)的利好政策紛至沓來，各地政府也紛紛入局。上海市明確提出發(fā)展光子芯片與器件，重點突破硅光子、光通訊器件、光子芯片等新一代光子器件的研發(fā)與應(yīng)用，對光子器件模塊化技術(shù)、基于CMOS的硅光子工藝、芯片集成化技術(shù)、光電集成模塊封裝技術(shù)等方面的研究開展重點攻關(guān)。

湖北省、重慶市、蘇州市等政府都把硅光芯片作為“十四五”期間的重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)。在政策的扶持下，國內(nèi)也研制出硅光芯片。

2021年12月，國家信息光電子創(chuàng)新中心、鵬城實驗室在國內(nèi)率先完成了1．6Tb／s硅基光收發(fā)芯片的聯(lián)合研制和功能驗證，實現(xiàn)了我國硅光芯片技術(shù)向Tb／s級的首次跨越。

結(jié)尾：

當(dāng)下，光子芯片的發(fā)展剛起步，整個產(chǎn)業(yè)鏈還未成熟，雖然我國依舊落后于歐美，但整體差距不大，有可能成為我國半導(dǎo)體行業(yè)換道超車的關(guān)鍵。

部分內(nèi)容來源于：大印藍?？萍迹阂怨獯姷墓韫夤ぃ?半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫：寫在硅光技術(shù)爆發(fā)前夜；瞻研究：硅光技術(shù)，后摩爾時代的突圍方向