硅光芯片為何能突破數據傳輸難題，與光子集成技術有很大關系

伴隨著海量數據時代的來臨，數據傳輸難題將越來越大，行業對高速高密、低功耗和低成本網絡解決方案的需求大幅提升，而作為一項突破性技術的硅光，逐步成為眾人的焦點，每隔幾個月，似乎就會有另一家初創公司出現，承諾在更長的距離上提供大帶寬，同時使用比銅互連更少的功率。

據知名市場調研機構LightCounting預測——到2022年，硅光子技術將在每秒峰值速度、能耗、成本方面全面超越傳統光模塊預測；而到2024年，硅光光模塊市場市值將達65億美金，占比高達60%。換句話說，拋開現有的電子模塊不談，未來光模塊將大量被硅光技術取代。

對于目前尚在積累發展硅光互聯領域來說，競爭已經逐步變得激烈了起來。

什么是硅光子芯片技術？

顧名思義，硅光子芯片技術是一種光通信技術，使用激光束代替電子半導體信號傳輸數據，是基于硅和硅基襯底材料（如： SiGe/Si、SOI ）等；并利用現有CMOS工藝進行光器件開發和集成的新一代技術。

其中，硅光子技術也結合了集成電路技術的超大規模、超高精度制造的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優勢，是應對摩爾定律失效的顛覆性技術，這種組合得力于半導體晶圓制造的可擴展性，因而能夠降低成本。

其次，硅光子技術最大的優勢在于擁有相當高的傳輸速率，可使處理器內核之間的數據傳輸速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被認為是新一代半導體技術。

緊接著，硅光子技術是由四個關鍵器件來組成：

光源：生產光信號的器具，通常采用激光器或LED。

光波導：將光信號導到需要的位置，通常采用硅基光波導。

調制器：用于調制光信號的強度、相位或頻率，通常采用光電調制器。

探測器：將光信號轉換為電信號的器具，通常采用光電二極管或光電探測器。

基于，硅光波導的多種光無源器件和有源器件均已先后開發成功，其中不少達到了實用化水平；由于硅屬于間接帶隙半導體材料，不能直接構成電驅動激光器和光放大器，需要通過不同材料的混合集成加以實現。


將激光集成到硅上的4種方法

工程師們已經能夠在硅光子芯片上集成幾乎所有的重要光學功能，包括基本的調制和檢測功能，但只有一種功能除外：光發射。硅本身無法有效地做到這一點，因此人們通常利用III-V族材料制成的半導體（以其成分在元素周期表上的位置命名）制造單獨封裝的組件來發光。

如果可以在設計中使用外部激光二極管，那就沒有問題了。最近有幾個因素促使工程師們將激光與硅光子學結合起來。例如，可能沒有放置單獨光源的空間。植入體內用于監測血糖水平的微型設備可能就會面臨這個問題。或者，應用的成本可能要求進行更緊密的集成：當我們可以在一塊硅晶圓上安裝數百或數千個激光器時，相較于連接單獨芯片的情況而言，最終的成本會更低，可靠性也更高。

要實現激光器和硅的這種更緊密的集成，方法有很多。目前正在研究4種基本策略：倒裝芯片處理、微轉印、晶圓鍵合和單片集成。


倒裝芯片集成

有一種簡單方法可以在硅晶圓上直接集成激光，這是一種名為“倒裝芯片處理”的芯片封裝技術，從名字就可以知道它的原理。

芯片的電連接裝置位于頂部，最上層的互連在金屬焊盤處結束。倒裝芯片技術依賴的是附著在這些焊盤上的焊料球。然后將芯片翻轉，使焊料與芯片封裝上的對應焊盤對齊（在我們的情況中，則是與另一塊芯片對齊）。然后熔化焊料，將芯片連接到封裝上。

將激光芯片與硅光子芯片結合在一起的概念與之相似，但要求更嚴格。邊發射激光器會在晶圓上被完全加工，然后被切割成若干單獨的芯片，并由供應商測試。然后，使用高精度的倒裝芯片工藝，一次一塊激光芯片，將單個激光芯片鍵合到目標硅光子晶圓上。這個方法的難點在于確保在邊緣發射時，激光器的輸出與硅光子芯片的輸入一致。我們會使用一種名為“對接耦合”的工藝，將激光器置于硅的凹陷部分，使其橫向鄰接硅光子波導管的蝕刻面。

為了實現這一點，倒裝芯片工藝需要在全部3個維度上都達到亞微米的對準精度。過去幾年里，我們開發了專門的倒裝芯片鍵合工具來完成這項工作。通過使用一種利用機器視覺來保持精確對準的先進拾放工具，我們可以在幾十秒內放置和鍵合激光器件，且精度超過500納米。

2021年，還開發了一種晶圓級硅光子工藝來提高這種性能。這種工藝在硅芯片上添加了機械對準基座和蝕刻精度更高的對接耦合接口，以實現優于幾百納米的垂直對準。借助這些技術，在300毫米的硅光子晶圓上組裝了某些激光器件。高興地看到，來自每個器件的50毫瓦激光有多達80%被耦合到了它所連接的硅光子芯片中。即使在最壞的情況下，整個晶圓的耦合度仍然在60%左右。這些結果可與主動對準所實現的耦合效率媲美，主動對準是一種更耗時的工藝，該工藝利用來自激光器本身的光來引導對準過程。

倒裝芯片方法的一個重要優勢是配對芯片的類型簡單且靈活。由于它們可以在現有的制造線上生產，只需添加少量的額外工程即可，因此每種類型都可以向多個制造商采購。另一方面，每個激光模具需要單獨拾取和放置，這種工藝的順序性是一個顯著的缺點。從長遠來看，它限制了產量并削弱了大幅降低成本的潛力。對于消費類產品等成本敏感型應用以及每塊芯片都需要多個激光器件的系統來說，這一點尤其重要。

微轉印

微轉印消除了對接耦合的一些對準困難，同時也加快了組裝過程。與倒裝芯片處理技術一樣，光發射器件被置于III-V族半導體基板上。但二者有一個很大的區別：III-V族晶圓并沒有被切割成若干單獨的芯片。相反，晶圓上的激光器進行了底切，因此它們只能通過小系繩連接到源晶圓上。然后，一個像墨水印章一樣的工具會將這些器件一同拾起，斷開系繩。接下來，印模會將激光器與硅光子晶圓上的波導結構對準，并將其鍵合。

倒裝芯片技術使用的是金屬焊料凸點，而微轉印技術使用的是粘合劑，甚至可以只使用分子鍵合，依靠兩個平面之間的范德華力來將激光固定到位。此外，硅光子芯片中的光源和波導管之間的光學耦合會通過另一種不同的過程發生。這一過程稱為“倏逝波耦合”，它會將激光放置在硅波導結構的頂部，然后光線會“滲入”其中。雖然這種方式轉移的功率較小，但倏逝波耦合要求的對準精度低于對接耦合。

這種技術具有更高的對準容差，因而能夠同時轉移數千個器件。因此，原則上，它的產量應該高于倒裝芯片工藝，并且非常適合需要每單位面積集成大量III-V族元件的應用。

盡管轉印是制造microLED顯示器的既定工藝，例如許多增強現實和虛擬現實產品所需的顯示器，但這種技術還沒有準備好用于打印激光器或光學放大器。


芯粒-晶圓鍵合

在我們討論的這兩種技術中，將發光元件與其硅光子伙伴進行精確對準是關鍵的一步。但有一種技術找到了解決這個問題的辦法，它就是III-V族硅晶圓鍵合。該方法不是將已經構建的激光器（或其他發光元件）轉移到處理過的硅晶圓上，而是將III-V族半導體的空白芯粒（甚至小晶圓）鍵合到硅晶圓上。然后，在相應的硅波導管的位置上方構建所需的激光器件。

在被轉移的材料中，我們只對晶體III-V族材料的薄層感興趣，該層稱為“外延層”。因此，在與硅晶圓鍵合后，剩余的材料會被移除。可以使用標準光刻和晶圓級處理工藝在外延層（與下層的硅波導管對準）中制造激光二極管。然后蝕刻掉任何不需要的III-V族材料。

這種方法可以實現高產量集成，因為它能夠同時并行處理許多器件。與轉印一樣，這種方法在III-V族和硅材料之間使用了倏逝波耦合，能產生高效的光學界面。

III-V族硅晶圓鍵合有一個缺點，那就是需要大量投資來建設一條生產線，使用制造直徑為200毫米或300毫米硅晶圓的工具來處理III-V族工藝步驟。這種工具與激光二極管鑄造廠所使用的工具非常不同，激光二極管鑄造廠制造的晶圓一般直徑要小得多。


單片集成

將所涉及的兩種不同材料結合在一起的理想辦法是直接在硅上生長III-V族半導體，這種方法稱為“單片集成”。這種方法不需要鍵合或對準，并可減少III-V族材料的浪費。但要使這一策略切實可行，還需要克服許多技術障礙。

這項研究的主要目的是創造低密度缺陷的晶體III-V族材料。其根本問題在于，硅中原子的晶格間距與相關III-V族半導體中原子的晶格間距相當不匹配，超過了4%。

由于這種晶格失配，生長在硅上的每個III-V族層都產生了應變。只添加幾納米的III-V族薄膜，晶體就會開始出現缺陷，釋放出累積的應變。這些“錯配”缺陷會沿著穿透整個III-V族層的線形成。缺陷包括開放的晶體鍵線和局部晶體畸變，這兩種情況會嚴重降低光電子器件的性能。

為了防止錯配缺陷徹底損壞激光器，必須將它們限制在遠離激光器的位置。因此，通常需要鋪設一層幾微米厚的III-V族材料，在下面的缺陷和上面的無應變區域之間形成一個巨大的緩沖區，然后在該區域制造激光器件。加州大學圣芭芭拉分校的研究人員報告稱，這種方法取得了出色的進展，證明了高效砷化鎵基量子點激光器具有良好的可靠性和壽命。

不過，目前這些實驗只是小規模實驗，難以將這項技術擴展到行業使用的200或300毫米晶圓。添加厚緩沖層可能會產生各種機械問題，例如在III-V族薄膜內部形成裂紋或晶圓彎曲。此外，由于有源器件位于厚緩沖層之上，因此將光與硅基板的下層波導管進行耦合頗具挑戰。

為了規避這些挑戰，引入了一種稱為“納米脊工程”（NRE）的單片集成新方法。該技術旨在將缺陷的形成囿于一個有限的空間中，從而得以在與底層硅交界的上方100納米多的地方構建工作器件。

納米脊工程利用一種稱為“縱橫比陷阱”的現象將缺陷限制在了較小的區域。它首先在二氧化硅絕緣體層內形成了窄而深的溝槽。在絕緣體與硅相遇的溝槽底部，在硅上切入一個凹槽，讓空隙的橫截面變成箭頭形狀。然后在溝槽內生長一層薄薄的III-V族晶體，應變引起的失配缺陷會被有效困在溝槽側壁，防止這些缺陷線進一步滲透。溝槽被填充后，生長會繼續在溝槽上方形成更大的III-V族材料納米脊。納米脊中的材料完全沒有缺陷，因此可以用于激光器件。

數據中心與AI帶動需求爆發開啟硅光產業黃金發展期

由于高帶寬、小尺寸、低能耗和低成本等優勢，硅光技術在通訊和高速運算領域極具發展潛力，可廣泛應用于數據中心、電信、生醫感測、量子運算、 消費電子等領域。數據中心：是硅光技術未來最主要的市場之一，核心是服務器與網絡，服務器與用戶之間的連接便是光通信網絡。主要應用場景為光 模塊；消費電子：可穿戴式設備與醫學領域的光學生物傳感器是主要應用場景。 硅光技術已在光通信尤其是數通短距場景取得局部商業落地，并逐步光傳感、光計算等新興應用領域延展。硅光當前發展最成熟的是包含數據中心互連 收發器在內的連接領域，涉及數據中心、高性能數據交換、長距離互聯、5G基礎設施等。后續將逐步擴展到人工智能、激光雷達和其他傳感器等新興 應用中。

隨著大數據、云計算、5G等新興技術的發展，國際數據中心市場規模擴大，全球數據中心流量以每年32%的速度飛速增長。云業務、云服務的增長刺激 數據中心的大規模建設熱潮，根據《數據中心白皮書》，預計2022年全球數據中心市場規模將達到746.5億美元。根據Yole預測，數通市場、電信市場 預計將在2027年分別達到168億美元和79億美元的市場規模，CAGR預計分別為19%和8%，直接帶動光模塊、光芯片需求的快速增長。

數據中心發展過程面臨帶寬與功耗的痛點，大量的數據需要被存儲、傳輸和處理，高帶寬傳輸需求增大。隨著多核處理器、內存需求和I/O帶寬需求的持 續增加導致連接和網絡傳輸壓力加大，同時帶寬的增長也會帶動功耗的快速提升。作為下一代互連技術強有力的競爭者，光互連具有寬頻帶、抗電磁干 擾、強保密性、低傳輸損耗、小功耗等明顯優于電互連的特點，是一種極具潛力的代替或補充電互連的方案。光互聯在未來數據中心互聯中的占比將越 來越大，硅光集成技術將充分發揮光互連的帶寬優勢。

ChatGPT帶動的生成式AI、大模型AI相關技術將成為新一輪科技產業發展的智能底座，由此引發的算力需求大爆發將使得硅光芯片為未來AI產業助力。 算力將是未來數字科技產業的基礎生產資料，AI算力中心催生海量的服務器需求，加速服務器集群建設。我國對數據中心建設進行國家層面的一體化布 局，相繼發布《“十四五”國家數字經濟發展規劃》、《“十四五”國家信息化規劃》、《關于加快構建全國一體化大數據中心協同創新體系的指導意 見》、《 新型數據中心 發展三年行動計劃（2021-2023年）》等政策，加快構建算力、算法、數據、應用資源協同的全國一體化大數據中心體系。 2023年4月17日，科技部啟動了國家超算互聯網工作，旨在以互聯網思維運營超算中心，構建一體化超算算力網絡和服務平臺。按照計劃，到2025年底 國家超算互聯網將形成技術先進、生態完善的總體布局。 國家計算力指數與GDP的走勢呈現出顯著的正相關，提高計算力對國家經濟發展具重大意義。根據《2021-2022全球計算力指數評估報告》，十五個重 點國家的計算力指數平均每提高1點，國家的數字經濟和GDP將分別增長3.5‰和1.8‰，預計該趨勢在2021-2025年將保持。