下一代信息技術(shù)核心——硅光技術(shù)的進(jìn)展與趨勢(shì)

在集成電路技術(shù)飛速發(fā)展的今天，硅光芯片技術(shù)的興起并非偶然。集成電路雖然在微電子技術(shù)上取得了顯著的進(jìn)步，但在數(shù)據(jù)傳輸和能效方面仍面臨著難以克服的瓶頸。硅光芯片作為一種新興技術(shù)，能夠在很大程度上彌補(bǔ)這些缺陷，并為未來(lái)的高性能計(jì)算和通信提供解決方案。

集成電路的發(fā)展遇到了兩大關(guān)鍵難題。首先是數(shù)據(jù)傳輸帶寬的限制。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的需求急劇增加，但集成電路所使用的傳統(tǒng)芯片材料在高頻下會(huì)面臨嚴(yán)重的損耗，如高頻信號(hào)的衰減、電信號(hào)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的干擾等。這些因素都限制了系統(tǒng)帶寬的提升。

其次是功耗問(wèn)題。在高頻信號(hào)傳輸過(guò)程中，電子的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)進(jìn)一步產(chǎn)生電場(chǎng)，從而導(dǎo)致電磁能量的損耗。這種能量損耗直接導(dǎo)致了功耗的增加，甚至在現(xiàn)代的人工智能計(jì)算中心，功耗已經(jīng)成為最主要的運(yùn)營(yíng)成本之一。

電子信號(hào)的傳輸還存在一種本質(zhì)性的“擁堵”現(xiàn)象，類(lèi)似于交通中的堵車(chē)。電子作為一種實(shí)體粒子，在電路中傳輸時(shí)，必須占據(jù)一定的時(shí)空位置，就像汽車(chē)在道路上行駛一樣。每個(gè)電子在特定的時(shí)間只能處于一個(gè)特定的位置，并且需要在單行道上運(yùn)行，無(wú)法與其他電子共享同一路徑。這種傳輸方式導(dǎo)致了系統(tǒng)效率的降低，特別是在高數(shù)據(jù)速率和高并發(fā)需求的環(huán)境下。

與電子相比，光子具有明顯的物理優(yōu)勢(shì)。光子是靜止質(zhì)量為零的粒子，而且不帶電荷，這使得光子在傳輸信息時(shí)不受時(shí)空限制。在同一個(gè)通道中，多個(gè)光子可以共享同一時(shí)空，避免了“擁堵”現(xiàn)象。如果將光子比作車(chē)輛，它們?cè)趥鬏斶^(guò)程中不會(huì)感知到其他光子的存在，因此也不存在類(lèi)似于交通堵塞的問(wèn)題。這使得光子在信息傳輸中的效率遠(yuǎn)高于電子。

硅光芯片的制造基于集成電路技術(shù)的發(fā)展。上世紀(jì)六七十年代，電子系統(tǒng)從離散元件逐漸向集成電路邁進(jìn)，將晶體管、電感、電容等元件集成到一個(gè)晶圓上，這一過(guò)程為今天的硅光芯片奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。硅光技術(shù)的發(fā)展也遵循了這一模式，通過(guò)在硅基材料上集成光子器件，達(dá)到高集成度和高性能的目標(biāo)。

目前， III-V族光源與硅光芯片的集成主要有兩種方法。第一種方法是在硅光晶圓上制備定位裝置，然后將III-V族材料如銦磷或砷化鎵等制成的激光器鑲嵌在這些定位裝置上，從而完成光源芯片的制造。第二種方法是異質(zhì)鍵合技術(shù)，即在III-V族材料上先制作小晶片，通過(guò)局部鍵合的方式，將這些晶片整合到一個(gè)完整的晶圓上，進(jìn)而用于制造激光器等光源器件。

光電集成技術(shù)的關(guān)鍵在于如何將光芯片和電芯片集成在一起。當(dāng)前的單片集成方法是通過(guò)一次流片工藝將集成電路和光路同時(shí)制作出來(lái)，另一種方法是晶圓級(jí)封裝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，將光芯片和電芯片分別在不同的晶圓上制造，再通過(guò)先進(jìn)的晶圓級(jí)封裝工藝將它們集成在一起。這種方法不僅提高了集成度，還降低了系統(tǒng)的功耗和制造成本。

光子集成技術(shù)的發(fā)展延續(xù)了集成電路的成功模式，并且發(fā)展速度更快。在硅光集成技術(shù)出現(xiàn)之前，光通訊技術(shù)主要依賴(lài)于III-V族材料，如磷化銦和砷化鎵。這些材料具有良好的光電特性，因此被廣泛用于早期的光器件制造。上世紀(jì)80年代，有學(xué)者開(kāi)始探索如何在硅晶圓上制造光通道，以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似光纖的傳輸效果。利用超大規(guī)模集成電路工藝，硅基光電子器件能夠?qū)崿F(xiàn)高集成度、低成本和低損耗的特點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)集成電路在后摩爾時(shí)代面臨的帶寬和功耗瓶頸。

通過(guò)硅的半導(dǎo)體制造工藝，在硅基材料上制作光器件結(jié)構(gòu)，使得光能夠在其中傳輸并處理信號(hào)。這種方式不僅繼承了硅材料的高集成度和低成本優(yōu)勢(shì)，還結(jié)合了光子技術(shù)的大帶寬和低損耗特點(diǎn)，應(yīng)用于光通信等眾多的領(lǐng)域。通過(guò)硅光平臺(tái)技術(shù)融合集成其它新材料，如薄膜鈮酸鋰、鈦酸鋇和聚合物等，可以實(shí)現(xiàn)更高性能的光子集成系統(tǒng)。目前，硅光集成技術(shù)正在向混合集成方向發(fā)展，通過(guò)工藝制造技術(shù)將不同材料的光器件集成在一起。比如，將鈮酸鋰或III-V族材料集成到硅基材料上，形成異質(zhì)集成。

硅光模塊的優(yōu)勢(shì)顯著，與傳統(tǒng)的分立器件相比，硅光模塊的誤碼率改善了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，功耗降低了10-20%，成本則下降了20-30%。隨著光模塊的帶寬和通道數(shù)增加，傳統(tǒng)分立器件的成本和功耗問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，而硅光模塊則通過(guò)高集成度和低功耗的優(yōu)勢(shì)脫穎而出，未來(lái)有望主導(dǎo)全球光通信市場(chǎng)。

硅光芯片的市場(chǎng)前景廣闊，主要集中在光傳輸、光傳感和光計(jì)算三個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)Yole和LightCounting等行業(yè)機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)，硅光芯片的年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)達(dá)到25%至44%。在2022年，硅光芯片在通信市場(chǎng)的規(guī)模已達(dá)到30億美元，預(yù)計(jì)到2025年至2030年，其在傳感領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到數(shù)百億美元，而在2030年至2035年，硅光芯片在計(jì)算領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模則有望突破千億美元。

盡管硅材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，但其自身也存在一些限制。例如，硅材料本身不發(fā)光，因此需要借助III-V族材料來(lái)實(shí)現(xiàn)光發(fā)射。為了進(jìn)一步提升硅光芯片的性能，科學(xué)家們正在探索低維材料、磁光材料等新材料的應(yīng)用，這些材料有望通過(guò)與硅光集成，實(shí)現(xiàn)更高效、更高性能的光電器件。

近年來(lái)，硅光技術(shù)取得了一系列重大突破。例如，Marvell公司發(fā)布了首款6.4T的3D硅光引擎，采用了3D封裝技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的光引擎系統(tǒng)。該方案包含32個(gè)通道，每個(gè)通道的電和光速率均為200G。傳統(tǒng)的小型光模塊最多只能集成8個(gè)光通道，而3D硅光引擎則可以擴(kuò)展到16、32甚至64個(gè)通道，從而實(shí)現(xiàn)12.8T的硅光模塊，極大地提升了系統(tǒng)的性能。

英特爾也推出了光計(jì)算互連OCI，這是一種基于其內(nèi)部硅基光電子技術(shù)的完全集成的光I/O解決方案。該技術(shù)具有4 Tbps的雙向帶寬，支持64個(gè)通道，每個(gè)方向的傳輸速率高達(dá)32 Gbps，且傳輸距離超過(guò)100米。

在中國(guó)市場(chǎng)，許多企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始大規(guī)模布局硅光產(chǎn)業(yè)。旭創(chuàng)、新易盛、光迅創(chuàng)等企業(yè)已成功量產(chǎn)并向市場(chǎng)供貨。這些企業(yè)的積極參與使得中國(guó)在全球硅光產(chǎn)業(yè)中的地位不斷提升。

硅光在計(jì)算領(lǐng)域的前景同樣廣闊。硅光技術(shù)的發(fā)展為未來(lái)的信息傳輸和計(jì)算提供了廣闊的前景。通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)布局，在光電集成、光計(jì)算、量子計(jì)算等領(lǐng)域的應(yīng)用將推動(dòng)硅光技術(shù)不斷突破，成為下一代信息技術(shù)的核心驅(qū)動(dòng)力。