硅光芯片：你相信光嗎？

來自未來的硅光芯片，在 2023 年又向前邁進了一步。自 2023 年初以來，圍繞硅光子學進行了大量炒作，並進行了大量投資，特別是光計算、光 I/O 和各種傳感應用。

市場研究機構 Yole Intelligence 表示，2022 年，硅光芯片市場價值爲 6800 萬美元，預計到 2028 年將超過 6 億美元，2022 年—2028 年的複合年均增長率爲 44%。推動這一增長的主要因素是用於高速數據中心互聯和對更高吞吐量及更低延遲需求的機器學習的 800G 可插拔光模塊。

 

硅光爲何「令人相信」？
用 CMOS 技術（也就是硅光子學）製造光子電路不僅提供了半導體晶圓級製造的規模，還利用光在計算、通信、傳感和成像方面的特性在新電子應用中發揮了優勢。

由於這些原因，硅光子學越來越多地應用於光學數據通信、傳感、生物醫學、汽車、虛擬現實和人工智能 (AI) 應用。直到最近，硅光子學的主要挑戰一直是添加作爲光子電路「電源」的分立激光器的成本，其中包括製造以及這些激光器在光子芯片上的組裝。

光可以表現得像波或粒子，並且這種行爲是可以操縱的。「光學」一詞是指對光的研究，通常用於談論人眼可見的光（例如，頭燈發出的光、放大鏡等透鏡反射的光等）。「光子學」一詞是指以小得多的尺度（小於幾微米）反射或操縱光的系統。集成光子學是指使用半導體技術和在潔淨室設施中處理的晶圓來製造光子系統。如果所使用的製造工藝非常類似於 CMOS 製造，那麼它就被稱爲硅光子學。

換句話說，硅光子學是一個材料平臺，可以使用絕緣體上硅（SOI）晶圓作爲半導體襯底材料來製造光子集成電路（PIC）。這項技術變得比以往任何時候都更加流行和可行，這是有一個重要原因的。

最初，集成光子學開始使用摻雜石英玻璃、鈮酸鋰或磷化銦等材料作爲材料表面，特別是對於電信和長途數據通信應用。然而，絕大多數半導體行業使用硅作爲主要材料來創建集成 CMOS 電路，實現了非常高的產量和低成本。光子學的物理特性使其非常適合使用舊硅節點上使用的 CMOS 工藝來圖案化和製造光子器件和電路。使用成熟的製造工藝爲大規模生產開闢了一條經濟可行的道路，因此，集成硅光子學已經起飛。

如今，硅光子學已經利用成熟的 CMOS 製造和設計生態系統來開始構建集成光子系統，該生態系統已被證明在規模化方面非常具有成本效益。

現在，該行業可以在硅晶圓上高效地製造 PIC，硅光子帶來的所有優勢都可以開始在主流電子產品中得到利用。PIC 的主要優勢之一是它們能夠實現、擴展和增加數據傳輸。從歷史上看，對於較長的距離，銅鏈路首先達到帶寬與能耗的限制。最近，光纖連接被用於數據中心，以實現網絡架構中越來越短的連接。最新趨勢是通過從可插拔光收發器轉移到與交換機採用同一封裝的光 I/O 小芯片，將光連接移至更靠近交換機 ASIC 的位置。這縮短了高速電氣 SerDes 鏈路的距離，從而降低了 I/O 的總體能耗。

除了用於數據中心外，硅光子還可以用於傳感，這有利於各種不同的行業。例如，光學傳感、信號傳輸以及反射或傳輸光信號的接收可以幫助確定周圍環境的特性。這種傳感活動有利於健康和生物醫學應用，例如診斷和分析以及消費者健康可穿戴應用，以及用於工業自動化和自動駕駛的激光雷達。

固態激光雷達芯片在自動駕駛汽車和工業自動化領域越來越受歡迎。LiDAR 不使用射頻 (RF) 信號，而是使用表面反射的光來分析和提供有關道路上發生的情況的關鍵信息，並提供有關汽車應如何反應的輸入（例如，物體移動的方向、可能存在障礙的地方等）。當然，設計任何將用於汽車行業的東西都需要考慮許多安全法規。就激光雷達廣泛、大量的消費應用而言，增強虛擬現實已經在一些智能手機中引入。硅光子學的另一個可能的大規模應用是人類健康測量，包括智能手錶和體內植入醫療設備等可穿戴設備的心率、飽和度和水合水平。

與任何產品開發過程一樣，需要仔細考慮哪種技術最適合特定應用的決策，包括成本、性能要求、上市需要多長時間以及與客戶現有的關係等因素。

就像電路中的電壓源一樣，激光器是硅光子電路的電源。目前，由於材料的間接帶隙，不可能在硅中製造光源（或激光器）。這就是爲什麼磷化銦等材料被用來製造用於電信和數據通信的波長的半導體激光器。

OpenLight 等公司已經磨鍊了各種技術，將磷化銦集成到硅光子芯片中，以創建驅動光子電路的集成激光器、調製器和探測器。這使客戶能夠獲得標準制造工藝的優勢，並獲得硅光子學的許多性能優勢。此外，可以在同一系統中使用波長略有不同的多個激光器，以進一步擴展。過去，混合連接激光芯片引起了人們對可靠性的擔憂，但集成激光器提高了可靠性，併爲需要多個激光器或放大部分的應用開闢了可能性。然而，設計人員不應忽視熱問題，因爲激光器會產生熱量，在設計電路和封裝時需要考慮這一點。
硅光子產業因其帶來的巨大技術和經濟價值纔剛剛起步。光輸入/輸出 (I/O) 距離核心硅越近（通過 2.5/3D 異構集成），對通信的影響就越小，這使其非常適合高性能計算和人工智能應用。

材料

硅光子學領域並不侷限於單一基板或材料。傳統上，硅作爲光發射器的效率受限，主要由於其內量子效率較低。但如在硅基底上創建有源光學元件，硅光子學已經實現了大規模生產的重大突破。

管理海量數據吞吐量

超高密度光學芯片利用硅光子學在單個芯片上提供更多數量的通道。這對於並行處理大量激光雷達數據點至關重要，確保系統能夠滿足實時分析的需求。硅光子的集成可以增強數據處理能力，提高激光雷達系統性能和整體效率。

加快處理任務

數據傳輸速度是激光雷達系統實時處理能力的關鍵因素。硅光子學可以將衆多組件集成到單個芯片上，從而以光速傳輸數據。這與傳統的銅基系統形成鮮明對比，導致處理速度顯著加快。組件的整合不僅提高了速度，還提高了整體數據處理效率，減少了延遲並確保實時準確地環境分析。

大廠「循着光照的方向」
去年有報道稱，臺積電將攜手博通、英偉達等大客戶共同開發硅光子技術、共同封裝光學元件（co-packaged optics，CPO）等新產品，製程技術從 45nm 延伸到 7nm，最快明年下半年開始迎來大單，並在 2025 年左右達到放量階段。

對於這則傳聞，臺積電表示，不迴應客戶及產品狀況。不過臺積電高度看好硅光子技術在未來的場景。

而在一場半導體座談會上，臺積電副總餘振華也公開透露了自己對硅光子技術的看法：「如果能提供一個良好的硅光子整合系統，就能解決能源效率和 AI 運算能力兩大關鍵問題。這會是一個新的範式轉移。我們可能處於一個新時代的開端。」

對於臺積電來說，此前在該領域主推的產品名爲 COUPE（緊湊型通用光子引擎）封裝技術，其最大的特點是可以降低功耗、提升帶寬。臺積電計劃在一項與英偉達深度合作的研發項目中嘗試使用，將多個 AI GPU 組合成一塊 GPU。該研發項目將持續數年時間，且必須等到硅光子生態系統成熟纔算完成。

21 世紀初開始，以英特爾和 IBM爲首的企業與學術機構就開始重點發展硅芯片光學信號傳輸技術，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數據電路，以延續摩爾定律。

2010 年，英特爾開發出首個 50Gb/s 超短距硅基集成光收發芯片後，硅光芯片開始進入產業化階段。隨後歐美一批傳統集成電路和光電巨頭通過併購迅速進入硅光子領域搶佔高地。目前英特爾也是在硅光領域佈局最全面的公司。

在製造工藝上，光子芯片和電子芯片雖然在流程和複雜程度上相似，但光子芯片對結構的要求不像電子芯片那樣嚴苛，一般是百納米級。這大大降低了對先進工藝的依賴，在一定程度上緩解了當前芯片發展的瓶頸問題。

硅光子學正在成爲一股革命性的力量，有可能超越激光雷達等傳統應用的範圍重塑行業。這項技術涉及使用硅基組件來產生、操縱和檢測光，不僅突破了汽車創新的界限，而且還在倉庫自動化、數據中心和電信等市場取得了重大進展。