硅光子技術(shù)是基于硅材料,利用現(xiàn)有CMOS工藝進(jìn)行光器件開發(fā)與集成的新一代通信技術(shù),。硅光子技術(shù)的核心理念是“以光代電”,,將光學(xué)器件與電子元件整合到一個獨立的微芯片中,利用激光作為信息傳導(dǎo)介質(zhì),提升芯片間的連接速度,。隨著流量的持續(xù)爆發(fā),,芯片層面的“光進(jìn)銅退”將是大勢所趨,硅光子技術(shù)有望實現(xiàn)規(guī)模商用化,。
硅光時代臨近,,芯片集成度有望大幅提升
近年來,隨著物聯(lián)網(wǎng),、大數(shù)據(jù)等應(yīng)用的快速發(fā)展,,全球數(shù)據(jù)流量呈快速增長態(tài)勢,對傳輸?shù)男枨笠仓饾u提升,。目前,,傳統(tǒng)光模塊主要利用III-V族半導(dǎo)體芯片、電路芯片,、光學(xué)組件等器件封裝而成,,本質(zhì)上屬于“電互聯(lián)”范疇。隨著晶體管加工尺寸逐漸縮小,,電互聯(lián)將逐漸面臨傳輸瓶頸,。目前,對于傳統(tǒng)的三五族半導(dǎo)體光芯片,,25Gbps已接近傳輸速率的瓶頸,,進(jìn)一步提升速率需要采用PAM4等技術(shù)。隨著高速光模塊在數(shù)據(jù)中心的大量運用,,傳統(tǒng)III-V族半導(dǎo)體的光芯片將面臨并行傳輸,、三五族磊晶成本高昂等問題。在此背景下,,硅光子技術(shù)應(yīng)運而生,,成為III-V族半導(dǎo)體之外的一大選擇。
在硅光子技術(shù)中,,芯片的概念由原先的激光器芯片延伸至集成芯片,。從結(jié)構(gòu)上看,硅光芯片包括光源,、調(diào)制器,、波導(dǎo)、探測器等有源芯片及源芯片,。硅光芯片將多個光器件集成在同一硅基襯底上,,一改以往器件分立的局面,芯片集中度大幅提升,。硅光子技術(shù)主要有以下三大優(yōu)勢:
(1)集成度高,。硅光子技術(shù)以硅作為集成芯片的襯底。硅基材料成本低且延展性好,可以利用成熟的硅CMOS工藝制作光器件,。與傳統(tǒng)方案相比,,硅光子技術(shù)具有更高的集成度及更多的嵌入式功能,有利于提升芯片的集成度,。
(2)成本下降潛力大,。在光器件和光模塊中,光芯片的成本占比較高,。傳統(tǒng)的GaAs/InP襯底因晶圓材料生長受限,,生產(chǎn)成本較高。近年來,,隨著傳輸速率的進(jìn)一步提升,,需要更大的三五族晶圓,芯片的成本支出將進(jìn)一步提升,。與三五族半導(dǎo)體相比,,硅基材料成本較低且可以大尺寸制造,芯片成本得以大幅降低,。
(3)波導(dǎo)傳輸性能優(yōu)異,。硅的禁帶寬度為1.12eV,對應(yīng)的光波長為1.1μm,。因此,硅對于1.1—1.6μm的通信波段(典型波長1.31μm/1.55μm)是透明的,,具有優(yōu)異的波導(dǎo)傳輸特性,。此外,硅的折射率高達(dá)3.42,,與二氧化硅可形成較大的折射率差,,確保硅波導(dǎo)可以具有較小的波導(dǎo)彎曲半徑。
硅光技術(shù)持續(xù)發(fā)展,,技術(shù)上不斷取得突破
從發(fā)展歷程看,,硅光集成技術(shù)將遵循由光子集成→光電集成的發(fā)展過程,待技術(shù)成熟后指向芯片內(nèi)部光互聯(lián),。目前,,通信領(lǐng)域的硅光模塊屬于光子集成范疇,從制造工藝看可分為兩類:單片集成與混合集成,。
單片集成主要利用傳統(tǒng)的CMOS工藝,,在硅晶圓上集成多個光器件。不過,,硅的發(fā)光效率較低,,無法作為光源,成為單片集成的瓶頸。一個折中的方法是:無源光器件在硅襯底上陣列化,,光源采用III-V族半導(dǎo)體,,混合集成技術(shù)應(yīng)運而生?;旌霞尚枰獙II-V族半導(dǎo)體激光器鍵合在硅襯底上,。鍵合技術(shù)包括利用DSV-BCB紫外膠鍵合,以及運用低溫氧分子等離子鍵合等,。
在硅光集成領(lǐng)域,,Intel是耕耘最早、技術(shù)最為完善的廠商,。其中,,2004年至2010年是Intel的技術(shù)突破期,2010年至2016年是商用準(zhǔn)備期,。大量的研發(fā)費用投入為2016年的硅光模塊商用奠定了堅實的基礎(chǔ),。對于Intel而言,未來計算機芯片的內(nèi)部光互聯(lián)是其長遠(yuǎn)目標(biāo),,在通信領(lǐng)域的硅光模塊商用可謂初次試水,。即便如此,Intel的硅光模塊對于傳統(tǒng)三五族半導(dǎo)體光模塊依舊形成了不小的沖擊,。
目前,,已量產(chǎn)的硅光模塊,基于硅襯底的混合集成是主要方式,。主要器件包括:在硅襯底表面集成激光器(III-V族半導(dǎo)體,,以InP為主)、調(diào)制器(鈮酸鋰LiNbO3,,具有優(yōu)異的電光效應(yīng)),、光探測器(Si中摻Ge)、硅波導(dǎo)(Si對于1.31μm/1.55μm通信波段透明),、波分復(fù)用及解復(fù)用器,、耦合器等。
硅光子技術(shù)取得了高速發(fā)展,,技術(shù)持續(xù)突破,。不過,硅光子技術(shù)仍面臨以下兩大問題:
1,、芯片良率低,,成本優(yōu)勢不明顯:目前,傳統(tǒng)三五族半導(dǎo)體芯片的良率在90%以上,,而硅光芯片需要將III-V族半導(dǎo)體鍵合在硅基襯底上,。由于硅光集成的工藝尚未成熟,,在激光耦合等步驟上的良率較低,導(dǎo)致硅光模塊成本難以進(jìn)一步提升,。
2,、硅波導(dǎo)與光纖的耦合效率低,性能優(yōu)勢不明顯,。硅基光波導(dǎo)的尺寸在0.4—0.5μm量級,,遠(yuǎn)小于單模光纖尺寸(纖芯直徑約8μm—10μm)。尺寸上的差別將導(dǎo)致模場的失配,,需要利用硅基波導(dǎo)光柵進(jìn)行耦合,,在耦合過程中將產(chǎn)生損耗。