什么是硅光子技術(shù)？90nm硅光子工藝的光纖連接即將面世

在芯片技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，隨著芯片制程的逐步縮小，互連線引起的各種效應(yīng)成為影響芯片性能的重要因素。芯片互連是目前的技術(shù)瓶頸之一，而硅光子技術(shù)則有可能解決這一問(wèn)題。

互連線相當(dāng)于微型電子器件內(nèi)部的街道和高速公路，可將晶體管、電阻、電容等各個(gè)元件連接起來(lái)，并與外界進(jìn)行互動(dòng)交流。當(dāng)芯片越做越小時(shí)，互聯(lián)線也需要越來(lái)越細(xì)，互連線間距縮小，電子元件之間引起的寄生效應(yīng)也會(huì)越來(lái)越影響電路的性能。常見(jiàn)的互連線材料諸如鋁、銅、碳納米管等，而這些材質(zhì)的互聯(lián)線無(wú)疑都會(huì)遇到物理極限，而光互連則不然。

并且，基于計(jì)算機(jī)與通信網(wǎng)絡(luò)化的信息技術(shù)也希望其功能器件和系統(tǒng)具有更快的處理速度、更大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和更高的傳輸速率。僅僅利用電子作為信息載體的硅集成電路技術(shù)已經(jīng)難以滿足上述要求。

硅光子技術(shù)是一種光通信技術(shù)，使用激光束代替電子半導(dǎo)體信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，是基于硅和硅基襯底材料，利用現(xiàn)有CMOS工藝進(jìn)行光器件開(kāi)發(fā)和集成的新一代技術(shù)。最大的優(yōu)勢(shì)在于擁有相當(dāng)高的傳輸速率，可使處理器內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)傳輸速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被認(rèn)為是新一代半導(dǎo)體技術(shù)。

歷史上硅光子是在SOI上開(kāi)發(fā)的，但SOI晶圓價(jià)格昂貴，而且不一定是所有不同光子學(xué)功能的最佳材料。同時(shí)隨著數(shù)據(jù)速率的提高，硅上的高速調(diào)制正成為瓶頸，因此正在開(kāi)發(fā)各種新材料，如LNO薄膜、InP、BTO、聚合物和等離子材料，以實(shí)現(xiàn)更高的性能。

2022 年 3 月，格芯發(fā)布了格芯 FotonixTM 新平臺(tái)，在同一芯片上單片集成了高性能射頻、數(shù)字 CMOS 和硅光子(SiPH)電路，同時(shí)利用 300 毫米芯片生產(chǎn)的規(guī)模、效率和嚴(yán)格的工藝控制。在數(shù)據(jù)中心互聯(lián)、光網(wǎng)絡(luò)、光子計(jì)算、光纖到戶(FTTH)和聯(lián)合封裝光學(xué)等領(lǐng)域，格芯已經(jīng)對(duì)這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行了鑒定，以滿足當(dāng)今和未來(lái)最緊迫、最復(fù)雜和最困難的挑戰(zhàn)。

而讓硅光子技術(shù)進(jìn)入制造商和最終客戶手中的下一步是什么? 為硅光學(xué)創(chuàng)建端到端的生態(tài)系統(tǒng)。對(duì)于在市場(chǎng)上擴(kuò)大格芯的光子技術(shù)至關(guān)重要。格芯表示，正在與封裝、EDA 工具和其他關(guān)鍵類別的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者合作，為其硅光子產(chǎn)品組合提供幫助，以創(chuàng)建端到端的生態(tài)系統(tǒng)，使其客戶能夠開(kāi)發(fā)和制造創(chuàng)新的芯片。

格芯稱，合作者 Fabrinet 就是為復(fù)雜產(chǎn)品的原始設(shè)備制造商提供先進(jìn)光學(xué)封裝和精密光學(xué)、機(jī)電和電子制造服務(wù)的供應(yīng)商，這些產(chǎn)品包括光通信組件、模塊和子系統(tǒng)、汽車部件、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)激光器和傳感器。Fabrinet 結(jié)合格芯專長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了高光纖數(shù)、被動(dòng)排列的光纖陣列，用于從硅光子芯片中輸入和輸出光。這項(xiàng)開(kāi)發(fā)利用了 Fabrinet 在光學(xué)元件和組件方面現(xiàn)有的成熟的制造技術(shù)，以及共同包裝的光學(xué)器件，通過(guò)將硅開(kāi)關(guān)電路與光學(xué)器件包裝在模塊或封裝中，消除了對(duì)收發(fā)器的需求。

獲悉，利用格芯的硅光子樣品并分享其工藝技術(shù)專長(zhǎng)，F(xiàn)abrinet 現(xiàn)在已經(jīng)展示 90nm 硅光子學(xué)工藝的光纖連接能力。兩家公司還合作將光纖連接引入格芯的 45nm 平臺(tái)技術(shù)，包括格芯 Fotonix 硅光子晶片，并預(yù)計(jì)這些技術(shù)將在 2022 年底前得到全面測(cè)試和認(rèn)證。在格芯的支持下，由 Fabrinet 開(kāi)發(fā)的帶有光纖連接的晶圓將在 2022 年底前完全達(dá)到 Telcordia 的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

硅光子被譽(yù)為硅芯片生產(chǎn)的重大突破。將高度先進(jìn)的芯片從生產(chǎn)中轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過(guò)程是極其復(fù)雜的。這個(gè)過(guò)程從硅的可用性開(kāi)始，并依賴于提供 EDA 工具、設(shè)計(jì)套件、軟件、封裝創(chuàng)新、測(cè)試工具和其他元素的生態(tài)系統(tǒng)，從而形成完整的硅解決方案。隨著基于硅光子的芯片在今年晚些時(shí)候開(kāi)始批量供應(yīng)，該行業(yè)預(yù)計(jì)將在包括這些應(yīng)用中看到顯著的吸收：高性能計(jì)算、光量子計(jì)算 、人工智能 、電信 、聯(lián)網(wǎng) 、虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、國(guó)防和航空航天。光通信是以光波為載波的通信方式，根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，可分為大氣激光通信和光纖通信，產(chǎn)業(yè)鏈主要包含光通信器件、光通信系統(tǒng)、光通信應(yīng)用三部分，其中光通信器件生產(chǎn)和測(cè)試是產(chǎn)業(yè)的上游環(huán)節(jié)。當(dāng)前，光通信器件已經(jīng)和集成電路(IC)、分立器件、傳感器并列成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)四大分支。

從光通信器件的種類來(lái)看，主要分為有源器件和無(wú)源器件，前者主要是發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、光電二極管(PIN)、放大器和調(diào)制器等;后者主要是光纖連接器、耦合器、光開(kāi)關(guān)、光衰減器和光隔離器等。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)光通信器件將主要以光集成技術(shù)(PIC)為核心，其中一大分支技術(shù)是基于III-V簇化合物半導(dǎo)體材料的光集成技術(shù)。通過(guò)硅光子學(xué) (SiPho)技術(shù)，業(yè)界能夠?qū)鹘y(tǒng)用于CMOS集成電路上的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移到光通信器件上。

近日，全球領(lǐng)先的模擬半導(dǎo)體解決方案代工廠高塔半導(dǎo)體(Tower Semiconductor)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備公司瞻博網(wǎng)絡(luò)(Juniper Networks)推出全球首個(gè)硅光子代工就緒工藝，該工藝集成了III-V族激光器、放大器調(diào)制器和探測(cè)器。

III-V簇化合物半導(dǎo)體材料主要包括砷化鎵、磷化銦、氮化鎵等，III-V族激光器更多是有源器件，比如磷化銦便是一種主要用于實(shí)現(xiàn)通信波長(zhǎng)大規(guī)模單片集成的材料。硅光子技術(shù)主要是利用現(xiàn)有CMOS 集成電路類似的技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)和制造光器件和光電集成電路。 目前，硅光子技術(shù)主要用于通信領(lǐng)域，正如高塔半導(dǎo)體所言，將率先解決數(shù)據(jù)中心和電信網(wǎng)絡(luò)中的光連接問(wèn)題，后續(xù)將逐步擴(kuò)展到人工智能 (AI)、激光雷達(dá)和其他傳感器等新興應(yīng)用中。