浅谈“半导体化”光子学集成解决方案

光子学可以促进半导体行业以“光速”前进。

光子学革命正在如火如荼地进行中。光子学最初是一项幕后技术，深深隐藏在海底和光纤通信的基础设施中——但自21世纪初以来，光纤到户、高速数据通信、智能手机和便携式设备中的3D传感以及用于自动驾驶功能的激光雷达（LiDAR）解决方案一直在稳步增长。这些技术将光子学作为其架构的一部分，它们的普及，特别是在消费类设备中的普及，为光电子行业的光学方面的发展创造了动力。

为了满足人工智能（AI）的需求，基于光子学运算处理的重要性正在急剧增加。

正如曦智科技（Lightelligence）的联合创始人沈亦晨所言：“大约在2015年，摩尔定律开始失效——尽管晶体管仍在变小，但从持续的微型化中获得的性能收益已不如以前。更重要的是，开发下一代更小的器件所需的时间越来越长。”

人们迫切需要颠覆性的技术。

对自动驾驶汽车需求的不断增长显示出需要提高计算能力的必要性。随着汽车制造商面临客户对改进自动化的日益增长的需求，芯片制造商正在转向光子学。最初，带来了解放双脚的自适应巡航控制功能，然后是解放双眼的辅助摄像头和接近探测功能，以及最近随着车辆向完全自动驾驶方向发展的离手驾驶功能。

这种发展需要大量的光子学组件。光子学技术能够精确、快速地监测你周围的区域。使用基于光子学的传感器能够实现数据的即时传输，使车辆能够提醒驾驶员附近的潜在危险，包括行人或其他车辆。

消费者表示，他们非常希望在车辆中使用更多的自动驾驶技术——以至于Fortune Business Insights的一份市场研究报告预测，全球自动驾驶汽车市场将从2021年的16.4亿美元增长到2028年的110.3亿美元。

该报告的亮点包括：“传感器处理技术、高清地图、自适应算法的快速改进，以及基础设施到车辆和车辆到车辆通信技术的发展，正在鼓励多家公司扩大生产能力，并将车辆自动化提升到一个新的水平。”

达到新的水平将需要微芯片制造商转向光子集成电路（PIC）。PIC能给汽车带来什么，它们又能在传输速度方面给数据中心、可穿戴设备、医疗技术等带来什么优势？

PIC可以取代传统的组装、集成电子和光子学组件的方法，这些方法已经过时，而且在资本和劳动力方面都很昂贵。使用PIC可以显著节省成本和组装时间。但对于许多芯片制造商来说，与标准硅相比，构成大多数光子学器件的材料都很特殊，并且难以制造，而标准硅是芯片行业大量投资并希望继续支持的材料。光子学中使用的材料主要用于LED、探测器、传感器和成像设备等。

但根据Skyquest Technologies最近的一份市场研究报告显示，到2028年，全球光子学市场预计将从7220亿美元增长到1.2万亿美元。这种扩张是由于人们逐渐意识到半导体和光电子行业的传统方式不会长期有效而形成的。

市场需要的是一种集成解决方案，以“半导体化”光子学——使用完整的晶圆级半导体工艺生产芯片级器件。只有通过这种方法，才能生产出数以亿计的器件，同时降低其成本、尺寸和功率要求。

1.6T Rx OE——POET Technologies的可插拔解决方案（可扩展至1.6 Tbit/s及以上）

通过在单颗芯片上添加光学器件相互通信以及与电子器件通信的方式，POET Technologies改进了广泛用于芯片间电通信的传统电中介层（electrical interposer）。

POET将光波导夹在电连接之间，为半导体行业提供集成光子学解决方案。POET的平台基于该公司专有的光中介层（optical interposer），该装置仅采用与CMOS兼容的晶圆制造方法生产，并使用标准的高电阻率硅衬底以实现单颗芯片上所有电子和光子学组件之间的高速通信。各种各样的组件（例如激光器、检测器、调制器、光电二极管、驱动器等）都是倒装芯片，并粘合到光中介层上。已知良好的组件被选择以适应特定应用。因此，这种集成在性质上是“混合式”的。去年，该公司宣布在其产品设计中加入了Lumentum公司的高速直接调制激光器（DML）。它还使用了Broadcom公司的连续波（CW）激光器，在其设计中加入了同类最佳的组件。

POET的光中介层架构以及使用传统半导体设备进行组装和测试的关键在于其低损耗波导。通过棱镜光谱表征的波导的材料损耗小于0.3 dB/cm，比在其它硅光子学技术中使用的典型小纤芯硅波导的材料损耗约好一个数量级。此外，波导主要是非热（dn/dT=12pm/°C）和非双折射的。他们为芯片端面光纤耦合设计了一种专用的光斑尺寸转换器，可实现0.25 dB的端面耦合损耗。

POET光中介层引擎

在传统半导体晶圆上增加这些专利波导层对于实现晶圆级的电子和光子学组件的集成至关重要。这种集成使得100G至1.6Tbit/s通信的光引擎实现了世界上最小的芯片级封装。在4.5×9 mm的尺寸上，POET光引擎包含了四个DML、四个高速光电探测器、四个监测光电二极管和一对多路复用器/解复用器。它还减少了总材料成本——这是一个极具吸引力的特性，在过去两年的供应链短缺之后，这一点尤其有意义。该设备非常小，以至于收发器模块制造商可以在一个标准QSFP-DD模块内安装四个引擎，在给定面板密度下，数据速率可以提高四倍。

这些首批使用POET光中介层构建的集成光子学芯片和AI-ML加速器芯片的初始客户包括成熟的芯片制造商和初创公司。他们认为混合式集成光电子解决方案对于为客户和最终用户提供先进性能至关重要。

对于不懈追求数据和连接的行业，光子学是真正能以光速前进的未来的最佳、最可行的途径。这就不难理解为什么该行业被预测为未来几年内增长最快的技术领域之一了。

编辑：黄飞