【导读】伴随着海量数据时代的来临，数据传输难题将越来越大，行业对高速高密、低功耗和低成本网络解决方案的需求大幅提升，而作为一项突破性技术的硅光，逐步成为众人的焦点，每隔几个月，似乎就会有另一家初创公司出现，承诺在更长的距离上提供大带宽，同时使用比铜互连更少的功率。
据知名市场调研机构LightCounting预测——到2022年，硅光子技术将在每秒峰值速度、能耗、成本方面全面超越传统光模块预测；而到2024年，硅光光模块市场市值将达65亿美金，占比高达60%。换句话说，抛开现有的电子模块不谈，未来光模块将大量被硅光技术取代。
对于目前尚在积累发展硅光互联领域来说，竞争已经逐步变得激烈了起来。
什么是硅光子芯片技术？
顾名思义，硅光子芯片技术是一种光通信技术，使用激光束代替电子半导体信号传输数据，是基于硅和硅基衬底材料（如： SiGe/Si、SOI ）等；并利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。
其中，硅光子技术也结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，是应对摩尔定律失效的颠覆性技术，这种组合得力于半导体晶圆制造的可扩展性，因而能够降低成本。
其次，硅光子技术最大的优势在于拥有相当高的传输速率，可使处理器内核之间的数据传输速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被认为是新一代半导体技术。
紧接着，硅光子技术是由四个关键器件来组成：
光源：生产光信号的器具，通常采用激光器或LED。
光波导：将光信号导到需要的位置，通常采用硅基光波导。
调制器：用于调制光信号的强度、相位或频率，通常采用光电调制器。
探测器：将光信号转换为电信号的器具，通常采用光电二极管或光电探测器。
基于，硅光波导的多种光无源器件和有源器件均已先后开发成功，其中不少达到了实用化水平；由于硅属于间接带隙半导体材料，不能直接构成电驱动激光器和光放大器，需要通过不同材料的混合集成加以实现。
将激光集成到硅上的4种方法
工程师们已经能够在硅光子芯片上集成几乎所有的重要光学功能，包括基本的调制和检测功能，但只有一种功能除外：光发射。硅本身无法有效地做到这一点，因此人们通常利用III-V族材料制成的半导体（以其成分在元素周期表上的位置命名）制造单独封装的组件来发光。
如果可以在设计中使用外部激光二极管，那就没有问题了。最近有几个因素促使工程师们将激光与硅光子学结合起来。例如，可能没有放置单独光源的空间。植入体内用于监测血糖水平的微型设备可能就会面临这个问题。或者，应用的成本可能要求进行更紧密的集成：当我们可以在一块硅晶圆上安装数百或数千个激光器时，相较于连接单独芯片的情况而言，最终的成本会更低，可靠性也更高。
要实现激光器和硅的这种更紧密的集成，方法有很多。目前正在研究4种基本策略：倒装芯片处理、微转印、晶圆键合和单片集成。
倒装芯片集成
有一种简单方法可以在硅晶圆上直接集成激光，这是一种名为“倒装芯片处理”的芯片封装技术，从名字就可以知道它的原理。
芯片的电连接装置位于顶部，最上层的互连在金属焊盘处结束。倒装芯片技术依赖的是附着在这些焊盘上的焊料球。然后将芯片翻转，使焊料与芯片封装上的对应焊盘对齐（在我们的情况中，则是与另一块芯片对齐）。然后熔化焊料，将芯片连接到封装上。
将激光芯片与硅光子芯片结合在一起的概念与之相似，但要求更严格。边发射激光器会在晶圆上被完全加工，然后被切割成若干单独的芯片，并由供应商测试。然后，使用高精度的倒装芯片工艺，一次一块激光芯片，将单个激光芯片键合到目标硅光子晶圆上。这个方法的难点在于确保在边缘发射时，激光器的输出与硅光子芯片的输入一致。我们会使用一种名为“对接耦合”的工艺，将激光器置于硅的凹陷部分，使其横向邻接硅光子波导管的蚀刻面。
为了实现这一点，倒装芯片工艺需要在全部3个维度上都达到亚微米的对准精度。过去几年里，我们开发了专门的倒装芯片键合工具来完成这项工作。通过使用一种利用机器视觉来保持精确对准的先进拾放工具，我们可以在几十秒内放置和键合激光器件，且精度超过500纳米。
2021年，还开发了一种晶圆级硅光子工艺来提高这种性能。这种工艺在硅芯片上添加了机械对准基座和蚀刻精度更高的对接耦合接口，以实现优于几百纳米的垂直对准。借助这些技术，在300毫米的硅光子晶圆上组装了某些激光器件。高兴地看到，来自每个器件的50毫瓦激光有多达80%被耦合到了它所连接的硅光子芯片中。即使在最坏的情况下，整个晶圆的耦合度仍然在60%左右。这些结果可与主动对准所实现的耦合效率媲美，主动对准是一种更耗时的工艺，该工艺利用来自激光器本身的光来引导对准过程。
倒装芯片方法的一个重要优势是配对芯片的类型简单且灵活。由于它们可以在现有的制造线上生产，只需添加少量的额外工程即可，因此每种类型都可以向多个制造商采购。另一方面，每个激光模具需要单独拾取和放置，这种工艺的顺序性是一个显著的缺点。从长远来看，它限制了产量并削弱了大幅降低成本的潜力。对于消费类产品等成本敏感型应用以及每块芯片都需要多个激光器件的系统来说，这一点尤其重要。
微转印
微转印消除了对接耦合的一些对准困难，同时也加快了组装过程。与倒装芯片处理技术一样，光发射器件被置于III-V族半导体基板上。但二者有一个很大的区别：III-V族晶圆并没有被切割成若干单独的芯片。相反，晶圆上的激光器进行了底切，因此它们只能通过小系绳连接到源晶圆上。然后，一个像墨水印章一样的工具会将这些器件一同拾起，断开系绳。接下来，印模会将激光器与硅光子晶圆上的波导结构对准，并将其键合。
倒装芯片技术使用的是金属焊料凸点，而微转印技术使用的是粘合剂，甚至可以只使用分子键合，依靠两个平面之间的范德华力来将激光固定到位。此外，硅光子芯片中的光源和波导管之间的光学耦合会通过另一种不同的过程发生。这一过程称为“倏逝波耦合”，它会将激光放置在硅波导结构的顶部，然后光线会“渗入”其中。虽然这种方式转移的功率较小，但倏逝波耦合要求的对准精度低于对接耦合。
这种技术具有更高的对准容差，因而能够同时转移数千个器件。因此，原则上，它的产量应该高于倒装芯片工艺，并且非常适合需要每单位面积集成大量III-V族元件的应用。
尽管转印是制造microLED显示器的既定工艺，例如许多增强现实和虚拟现实产品所需的显示器，但这种技术还没有准备好用于打印激光器或光学放大器。
芯粒-晶圆键合
在我们讨论的这两种技术中，将发光元件与其硅光子伙伴进行精确对准是关键的一步。但有一种技术找到了解决这个问题的办法，它就是III-V族硅晶圆键合。该方法不是将已经构建的激光器（或其他发光元件）转移到处理过的硅晶圆上，而是将III-V族半导体的空白芯粒（甚至小晶圆）键合到硅晶圆上。然后，在相应的硅波导管的位置上方构建所需的激光器件。
在被转移的材料中，我们只对晶体III-V族材料的薄层感兴趣，该层称为“外延层”。因此，在与硅晶圆键合后，剩余的材料会被移除。可以使用标准光刻和晶圆级处理工艺在外延层（与下层的硅波导管对准）中制造激光二极管。然后蚀刻掉任何不需要的III-V族材料。
这种方法可以实现高产量集成，因为它能够同时并行处理许多器件。与转印一样，这种方法在III-V族和硅材料之间使用了倏逝波耦合，能产生高效的光学界面。
III-V族硅晶圆键合有一个缺点，那就是需要大量投资来建设一条生产线，使用制造直径为200毫米或300毫米硅晶圆的工具来处理III-V族工艺步骤。这种工具与激光二极管铸造厂所使用的工具非常不同，激光二极管铸造厂制造的晶圆一般直径要小得多。
单片集成
将所涉及的两种不同材料结合在一起的理想办法是直接在硅上生长III-V族半导体，这种方法称为“单片集成”。这种方法不需要键合或对准，并可减少III-V族材料的浪费。但要使这一策略切实可行，还需要克服许多技术障碍。
这项研究的主要目的是创造低密度缺陷的晶体III-V族材料。其根本问题在于，硅中原子的晶格间距与相关III-V族半导体中原子的晶格间距相当不匹配，超过了4%。
由于这种晶格失配，生长在硅上的每个III-V族层都产生了应变。只添加几纳米的III-V族薄膜，晶体就会开始出现缺陷，释放出累积的应变。这些“错配”缺陷会沿着穿透整个III-V族层的线形成。缺陷包括开放的晶体键线和局部晶体畸变，这两种情况会严重降低光电子器件的性能。
为了防止错配缺陷彻底损坏激光器，必须将它们限制在远离激光器的位置。因此，通常需要铺设一层几微米厚的III-V族材料，在下面的缺陷和上面的无应变区域之间形成一个巨大的缓冲区，然后在该区域制造激光器件。加州大学圣芭芭拉分校的研究人员报告称，这种方法取得了出色的进展，证明了高效砷化镓基量子点激光器具有良好的可靠性和寿命。
不过，目前这些实验只是小规模实验，难以将这项技术扩展到行业使用的200或300毫米晶圆。添加厚缓冲层可能会产生各种机械问题，例如在III-V族薄膜内部形成裂纹或晶圆弯曲。此外，由于有源器件位于厚缓冲层之上，因此将光与硅基板的下层波导管进行耦合颇具挑战。
为了规避这些挑战，引入了一种称为“纳米脊工程”（NRE）的单片集成新方法。该技术旨在将缺陷的形成囿于一个有限的空间中，从而得以在与底层硅交界的上方100纳米多的地方构建工作器件。
纳米脊工程利用一种称为“纵横比陷阱”的现象将缺陷限制在了较小的区域。它首先在二氧化硅绝缘体层内形成了窄而深的沟槽。在绝缘体与硅相遇的沟槽底部，在硅上切入一个凹槽，让空隙的横截面变成箭头形状。然后在沟槽内生长一层薄薄的III-V族晶体，应变引起的失配缺陷会被有效困在沟槽侧壁，防止这些缺陷线进一步渗透。沟槽被填充后，生长会继续在沟槽上方形成更大的III-V族材料纳米脊。纳米脊中的材料完全没有缺陷，因此可以用于激光器件。
数据中心与AI带动需求爆发开启硅光产业黄金发展期
由于高带宽、小尺寸、低能耗和低成本等优势，硅光技术在通讯和高速运算领域极具发展潜力，可广泛应用于数据中心、电信、生医感测、量子运算、 消费电子等领域。数据中心：是硅光技术未来最主要的市场之一，核心是服务器与网络，服务器与用户之间的连接便是光通信网络。主要应用场景为光 模块；消费电子：可穿戴式设备与医学领域的光学生物传感器是主要应用场景。 硅光技术已在光通信尤其是数通短距场景取得局部商业落地，并逐步光传感、光计算等新兴应用领域延展。硅光当前发展最成熟的是包含数据中心互连 收发器在内的连接领域，涉及数据中心、高性能数据交换、长距离互联、5G基础设施等。后续将逐步扩展到人工智能、激光雷达和其他传感器等新兴 应用中。
随着大数据、云计算、5G等新兴技术的发展，国际数据中心市场规模扩大，全球数据中心流量以每年32%的速度飞速增长。云业务、云服务的增长刺激 数据中心的大规模建设热潮，根据《数据中心白皮书》，预计2022年全球数据中心市场规模将达到746.5亿美元。根据Yole预测，数通市场、电信市场 预计将在2027年分别达到168亿美元和79亿美元的市场规模，CAGR预计分别为19%和8%，直接带动光模块、光芯片需求的快速增长。
数据中心发展过程面临带宽与功耗的痛点，大量的数据需要被存储、传输和处理，高带宽传输需求增大。随着多核处理器、内存需求和I/O带宽需求的持 续增加导致连接和网络传输压力加大，同时带宽的增长也会带动功耗的快速提升。作为下一代互连技术强有力的竞争者，光互连具有宽频带、抗电磁干 扰、强保密性、低传输损耗、小功耗等明显优于电互连的特点，是一种极具潜力的代替或补充电互连的方案。光互联在未来数据中心互联中的占比将越 来越大，硅光集成技术将充分发挥光互连的带宽优势。
ChatGPT带动的生成式AI、大模型AI相关技术将成为新一轮科技产业发展的智能底座，由此引发的算力需求大爆发将使得硅光芯片为未来AI产业助力。 算力将是未来数字科技产业的基础生产资料，AI算力中心催生海量的服务器需求，加速服务器集群建设。我国对数据中心建设进行国家层面的一体化布 局，相继发布《“十四五”国家数字经济发展规划》、《“十四五”国家信息化规划》、《关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意 见》、《 新型数据中心 发展三年行动计划（2021-2023年）》等政策，加快构建算力、算法、数据、应用资源协同的全国一体化大数据中心体系。 2023年4月17日，科技部启动了国家超算互联网工作，旨在以互联网思维运营超算中心，构建一体化超算算力网络和服务平台。按照计划，到2025年底 国家超算互联网将形成技术先进、生态完善的总体布局。 国家计算力指数与GDP的走势呈现出显著的正相关，提高计算力对国家经济发展具重大意义。根据《2021-2022全球计算力指数评估报告》，十五个重 点国家的计算力指数平均每提高1点，国家的数字经济和GDP将分别增长3.5‰和1.8‰，预计该趋势在2021-2025年将保持。
来源：贤集网
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