伴隨著海量數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，數(shù)據(jù)傳輸難題將越來越大，行業(yè)對(duì)高速高密、低功耗和低成本網(wǎng)絡(luò)解決方案的需求大幅提升，而作為一項(xiàng)突破性技術(shù)的硅光，逐步成為眾人的焦點(diǎn)，每隔幾個(gè)月，似乎就會(huì)有另一家初創(chuàng)公司出現(xiàn)，承諾在更長(zhǎng)的距離上提供大帶寬，同時(shí)使用比銅互連更少的功率。

據(jù)知名市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)LightCounting預(yù)測(cè)——到2022年，硅光子技術(shù)將在每秒峰值速度、能耗、成本方面全面超越傳統(tǒng)光模塊預(yù)測(cè)；而到2024年，硅光光模塊市場(chǎng)市值將達(dá)65億美金，占比高達(dá)60%。換句話說，拋開現(xiàn)有的電子模塊不談，未來光模塊將大量被硅光技術(shù)取代。

對(duì)于目前尚在積累發(fā)展硅光互聯(lián)領(lǐng)域來說，競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)逐步變得激烈了起來。

什么是硅光子芯片技術(shù)？

顧名思義，硅光子芯片技術(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（如： SiGe/Si、SOI ）等；并利用現(xiàn)有CMOS工藝進(jìn)行光器件開發(fā)和集成的新一代技術(shù)。

其中，硅光子技術(shù)也結(jié)合了集成電路技術(shù)的超大規(guī)模、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢(shì)，是應(yīng)對(duì)摩爾定律失效的顛覆性技術(shù)，這種組合得力于半導(dǎo)體晶圓制造的可擴(kuò)展性，因而能夠降低成本。

其次，硅光子技術(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)。

緊接著，硅光子技術(shù)是由四個(gè)關(guān)鍵器件來組成：

光源：生產(chǎn)光信號(hào)的器具，通常采用激光器或LED。

光波導(dǎo)：將光信號(hào)導(dǎo)到需要的位置，通常采用硅基光波導(dǎo)。

調(diào)制器：用于調(diào)制光信號(hào)的強(qiáng)度、相位或頻率，通常采用光電調(diào)制器。

探測(cè)器：將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器具，通常采用光電二極管或光電探測(cè)器。

基于，硅光波導(dǎo)的多種光無源器件和有源器件均已先后開發(fā)成功，其中不少達(dá)到了實(shí)用化水平；由于硅屬于間接帶隙半導(dǎo)體材料，不能直接構(gòu)成電驅(qū)動(dòng)激光器和光放大器，需要通過不同材料的混合集成加以實(shí)現(xiàn)。


將激光集成到硅上的4種方法

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

如果可以在設(shè)計(jì)中使用外部激光二極管，那就沒有問題了。最近有幾個(gè)因素促使工程師們將激光與硅光子學(xué)結(jié)合起來。例如，可能沒有放置單獨(dú)光源的空間。植入體內(nèi)用于監(jiān)測(cè)血糖水平的微型設(shè)備可能就會(huì)面臨這個(gè)問題?；蛘?，應(yīng)用的成本可能要求進(jìn)行更緊密的集成：當(dāng)我們可以在一塊硅晶圓上安裝數(shù)百或數(shù)千個(gè)激光器時(shí)，相較于連接單獨(dú)芯片的情況而言，最終的成本會(huì)更低，可靠性也更高。

要實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)印、晶圓鍵合和單片集成。


倒裝芯片集成

有一種簡(jiǎn)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(shù)，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(jié)束。倒裝芯片技術(shù)依賴的是附著在這些焊盤上的焊料球。然后將芯片翻轉(zhuǎn)，使焊料與芯片封裝上的對(duì)應(yīng)焊盤對(duì)齊（在我們的情況中，則是與另一塊芯片對(duì)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(jié)合在一起的概念與之相似，但要求更嚴(yán)格。邊發(fā)射激光器會(huì)在晶圓上被完全加工，然后被切割成若干單獨(dú)的芯片，并由供應(yīng)商測(cè)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(gè)激光芯片鍵合到目標(biāo)硅光子晶圓上。這個(gè)方法的難點(diǎn)在于確保在邊緣發(fā)射時(shí)，激光器的輸出與硅光子芯片的輸入一致。我們會(huì)使用一種名為“對(duì)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(dǎo)管的蝕刻面。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，倒裝芯片工藝需要在全部3個(gè)維度上都達(dá)到亞微米的對(duì)準(zhǔn)精度。過去幾年里，我們開發(fā)了專門的倒裝芯片鍵合工具來完成這項(xiàng)工作。通過使用一種利用機(jī)器視覺來保持精確對(duì)準(zhǔn)的先進(jìn)拾放工具，我們可以在幾十秒內(nèi)放置和鍵合激光器件，且精度超過500納米。

2021年，還開發(fā)了一種晶圓級(jí)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(jī)械對(duì)準(zhǔn)基座和蝕刻精度更高的對(duì)接耦合接口，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于幾百納米的垂直對(duì)準(zhǔn)。借助這些技術(shù)，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(gè)器件的50毫瓦激光有多達(dá)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(gè)晶圓的耦合度仍然在60%左右。這些結(jié)果可與主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)所實(shí)現(xiàn)的耦合效率媲美，主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)是一種更耗時(shí)的工藝，該工藝?yán)脕碜约す馄鞅旧淼墓鈦硪龑?dǎo)對(duì)準(zhǔn)過程。

倒裝芯片方法的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是配對(duì)芯片的類型簡(jiǎn)單且靈活。由于它們可以在現(xiàn)有的制造線上生產(chǎn)，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(gè)制造商采購(gòu)。另一方面，每個(gè)激光模具需要單獨(dú)拾取和放置，這種工藝的順序性是一個(gè)顯著的缺點(diǎn)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，它限制了產(chǎn)量并削弱了大幅降低成本的潛力。對(duì)于消費(fèi)類產(chǎn)品等成本敏感型應(yīng)用以及每塊芯片都需要多個(gè)激光器件的系統(tǒng)來說，這一點(diǎn)尤其重要。

微轉(zhuǎn)印

微轉(zhuǎn)印消除了對(duì)接耦合的一些對(duì)準(zhǔn)困難，同時(shí)也加快了組裝過程。與倒裝芯片處理技術(shù)一樣，光發(fā)射器件被置于III-V族半導(dǎo)體基板上。但二者有一個(gè)很大的區(qū)別：III-V族晶圓并沒有被切割成若干單獨(dú)的芯片。相反，晶圓上的激光器進(jìn)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(gè)像墨水印章一樣的工具會(huì)將這些器件一同拾起，斷開系繩。接下來，印模會(huì)將激光器與硅光子晶圓上的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)，并將其鍵合。

倒裝芯片技術(shù)使用的是金屬焊料凸點(diǎn)，而微轉(zhuǎn)印技術(shù)使用的是粘合劑，甚至可以只使用分子鍵合，依靠?jī)蓚€(gè)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(dǎo)管之間的光學(xué)耦合會(huì)通過另一種不同的過程發(fā)生。這一過程稱為“倏逝波耦合”，它會(huì)將激光放置在硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂部，然后光線會(huì)“滲入”其中。雖然這種方式轉(zhuǎn)移的功率較小，但倏逝波耦合要求的對(duì)準(zhǔn)精度低于對(duì)接耦合。

這種技術(shù)具有更高的對(duì)準(zhǔn)容差，因而能夠同時(shí)轉(zhuǎn)移數(shù)千個(gè)器件。因此，原則上，它的產(chǎn)量應(yīng)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(yīng)用。

盡管轉(zhuǎn)印是制造microLED顯示器的既定工藝，例如許多增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品所需的顯示器，但這種技術(shù)還沒有準(zhǔn)備好用于打印激光器或光學(xué)放大器。


芯粒-晶圓鍵合

在我們討論的這兩種技術(shù)中，將發(fā)光元件與其硅光子伙伴進(jìn)行精確對(duì)準(zhǔn)是關(guān)鍵的一步。但有一種技術(shù)找到了解決這個(gè)問題的辦法，它就是III-V族硅晶圓鍵合。該方法不是將已經(jīng)構(gòu)建的激光器（或其他發(fā)光元件）轉(zhuǎn)移到處理過的硅晶圓上，而是將III-V族半導(dǎo)體的空白芯粒（甚至小晶圓）鍵合到硅晶圓上。然后，在相應(yīng)的硅波導(dǎo)管的位置上方構(gòu)建所需的激光器件。

在被轉(zhuǎn)移的材料中，我們只對(duì)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(huì)被移除?？梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)光刻和晶圓級(jí)處理工藝在外延層（與下層的硅波導(dǎo)管對(duì)準(zhǔn)）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(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量集成，因?yàn)樗軌蛲瑫r(shí)并行處理許多器件。與轉(zhuǎn)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(chǎn)生高效的光學(xué)界面。

III-V族硅晶圓鍵合有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是需要大量投資來建設(shè)一條生產(chǎn)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(jié)合在一起的理想辦法是直接在硅上生長(zhǎng)III-V族半導(dǎo)體，這種方法稱為“單片集成”。這種方法不需要鍵合或?qū)?zhǔn)，并可減少III-V族材料的浪費(fèi)。但要使這一策略切實(shí)可行，還需要克服許多技術(shù)障礙。

這項(xiàng)研究的主要目的是創(chuàng)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(guān)III-V族半導(dǎo)體中原子的晶格間距相當(dāng)不匹配，超過了4%。

由于這種晶格失配，生長(zhǎng)在硅上的每個(gè)III-V族層都產(chǎn)生了應(yīng)變。只添加幾納米的III-V族薄膜，晶體就會(huì)開始出現(xiàn)缺陷，釋放出累積的應(yīng)變。這些“錯(cuò)配”缺陷會(huì)沿著穿透整個(gè)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(huì)嚴(yán)重降低光電子器件的性能。

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

不過，目前這些實(shí)驗(yàn)只是小規(guī)模實(shí)驗(yàn)，難以將這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)展到行業(yè)使用的200或300毫米晶圓。添加厚緩沖層可能會(huì)產(chǎn)生各種機(jī)械問題，例如在III-V族薄膜內(nèi)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(dǎo)管進(jìn)行耦合頗具挑戰(zhàn)。

為了規(guī)避這些挑戰(zhàn)，引入了一種稱為“納米脊工程”（NRE）的單片集成新方法。該技術(shù)旨在將缺陷的形成囿于一個(gè)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(gòu)建工作器件。

納米脊工程利用一種稱為“縱橫比陷阱”的現(xiàn)象將缺陷限制在了較小的區(qū)域。它首先在二氧化硅絕緣體層內(nèi)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(gè)凹槽，讓空隙的橫截面變成箭頭形狀。然后在溝槽內(nèi)生長(zhǎng)一層薄薄的III-V族晶體，應(yīng)變引起的失配缺陷會(huì)被有效困在溝槽側(cè)壁，防止這些缺陷線進(jìn)一步滲透。溝槽被填充后，生長(zhǎng)會(huì)繼續(xù)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(shù)據(jù)中心與AI帶動(dòng)需求爆發(fā)開啟硅光產(chǎn)業(yè)黃金發(fā)展期

由于高帶寬、小尺寸、低能耗和低成本等優(yōu)勢(shì)，硅光技術(shù)在通訊和高速運(yùn)算領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿?，可廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、電信、生醫(yī)感測(cè)、量子運(yùn)算、 消費(fèi)電子等領(lǐng)域。數(shù)據(jù)中心：是硅光技術(shù)未來最主要的市場(chǎng)之一，核心是服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器與用戶之間的連接便是光通信網(wǎng)絡(luò)。主要應(yīng)用場(chǎng)景為光 模塊；消費(fèi)電子：可穿戴式設(shè)備與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的光學(xué)生物傳感器是主要應(yīng)用場(chǎng)景。 硅光技術(shù)已在光通信尤其是數(shù)通短距場(chǎng)景取得局部商業(yè)落地，并逐步光傳感、光計(jì)算等新興應(yīng)用領(lǐng)域延展。硅光當(dāng)前發(fā)展最成熟的是包含數(shù)據(jù)中心互連 收發(fā)器在內(nèi)的連接領(lǐng)域，涉及數(shù)據(jù)中心、高性能數(shù)據(jù)交換、長(zhǎng)距離互聯(lián)、5G基礎(chǔ)設(shè)施等。后續(xù)將逐步擴(kuò)展到人工智能、激光雷達(dá)和其他傳感器等新興 應(yīng)用中。

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G等新興技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大，全球數(shù)據(jù)中心流量以每年32%的速度飛速增長(zhǎng)。云業(yè)務(wù)、云服務(wù)的增長(zhǎng)刺激 數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模建設(shè)熱潮，根據(jù)《數(shù)據(jù)中心白皮書》，預(yù)計(jì)2022年全球數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到746.5億美元。根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，數(shù)通市場(chǎng)、電信市場(chǎng) 預(yù)計(jì)將在2027年分別達(dá)到168億美元和79億美元的市場(chǎng)規(guī)模，CAGR預(yù)計(jì)分別為19%和8%，直接帶動(dòng)光模塊、光芯片需求的快速增長(zhǎng)。

數(shù)據(jù)中心發(fā)展過程面臨帶寬與功耗的痛點(diǎn)，大量的數(shù)據(jù)需要被存儲(chǔ)、傳輸和處理，高帶寬傳輸需求增大。隨著多核處理器、內(nèi)存需求和I/O帶寬需求的持 續(xù)增加導(dǎo)致連接和網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力加大，同時(shí)帶寬的增長(zhǎng)也會(huì)帶動(dòng)功耗的快速提升。作為下一代互連技術(shù)強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者，光互連具有寬頻帶、抗電磁干 擾、強(qiáng)保密性、低傳輸損耗、小功耗等明顯優(yōu)于電互連的特點(diǎn)，是一種極具潛力的代替或補(bǔ)充電互連的方案。光互聯(lián)在未來數(shù)據(jù)中心互聯(lián)中的占比將越 來越大，硅光集成技術(shù)將充分發(fā)揮光互連的帶寬優(yōu)勢(shì)。

ChatGPT帶動(dòng)的生成式AI、大模型AI相關(guān)技術(shù)將成為新一輪科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的智能底座，由此引發(fā)的算力需求大爆發(fā)將使得硅光芯片為未來AI產(chǎn)業(yè)助力。 算力將是未來數(shù)字科技產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)生產(chǎn)資料，AI算力中心催生海量的服務(wù)器需求，加速服務(wù)器集群建設(shè)。我國(guó)對(duì)數(shù)據(jù)中心建設(shè)進(jìn)行國(guó)家層面的一體化布 局，相繼發(fā)布《“十四五”國(guó)家數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》、《“十四五”國(guó)家信息化規(guī)劃》、《關(guān)于加快構(gòu)建全國(guó)一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系的指導(dǎo)意 見》、《 新型數(shù)據(jù)中心 發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）》等政策，加快構(gòu)建算力、算法、數(shù)據(jù)、應(yīng)用資源協(xié)同的全國(guó)一體化大數(shù)據(jù)中心體系。 2023年4月17日，科技部啟動(dòng)了國(guó)家超算互聯(lián)網(wǎng)工作，旨在以互聯(lián)網(wǎng)思維運(yùn)營(yíng)超算中心，構(gòu)建一體化超算算力網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)平臺(tái)。按照計(jì)劃，到2025年底 國(guó)家超算互聯(lián)網(wǎng)將形成技術(shù)先進(jìn)、生態(tài)完善的總體布局。 國(guó)家計(jì)算力指數(shù)與GDP的走勢(shì)呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)，提高計(jì)算力對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展具重大意義。根據(jù)《2021-2022全球計(jì)算力指數(shù)評(píng)估報(bào)告》，十五個(gè)重 點(diǎn)國(guó)家的計(jì)算力指數(shù)平均每提高1點(diǎn)，國(guó)家的數(shù)字經(jīng)濟(jì)和GDP將分別增長(zhǎng)3.5‰和1.8‰，預(yù)計(jì)該趨勢(shì)在2021-2025年將保持。