下一代信息技術(shù)核心——硅光技術(shù)的進展與趨勢

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這些缺陷，并為未來的高性能計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面臨嚴重的損耗，如高頻信號的衰減、電信號傳輸過程中產(chǎn)生的干擾等。這些因素都限制了系統(tǒng)帶寬的提升。

其次是功耗問題。在高頻信號傳輸過程中，電子的運動會產(chǎn)生磁場，磁場進一步產(chǎn)生電場，從而導致電磁能量的損耗。這種能量損耗直接導致了功耗的增加，甚至在現(xiàn)代的人工智能計算中心，功耗已經(jīng)成為最主要的運營成本之一。

電子信號的傳輸還存在一種本質(zhì)性的“擁堵”現(xiàn)象，類似于交通中的堵車。電子作為一種實體粒子，在電路中傳輸時，必須占據(jù)一定的時空位置，就像汽車在道路上行駛一樣。每個電子在特定的時間只能處于一個特定的位置，并且需要在單行道上運行，無法與其他電子共享同一路徑。這種傳輸方式導致了系統(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。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不受時空限制。在同一個通道中，多個光子可以共享同一時空，避免了“擁堵”現(xiàn)象。如果將光子比作車輛，它們在傳輸過程中不會感知到其他光子的存在，因此也不存在類似于交通堵塞的問題。這使得光子在信息傳輸中的效率遠高于電子。

硅光芯片的制造基于集成電路技術(shù)的發(fā)展。上世紀六七十年代，電子系統(tǒng)從離散元件逐漸向集成電路邁進，將晶體管、電感、電容等元件集成到一個晶圓上，這一過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，通過在硅基材料上集成光子器件，達到高集成度和高性能的目標。

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，通過局部鍵合的方式，將這些晶片整合到一個完整的晶圓上，進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。當前的單片集成方法是通過一次流片工藝將集成電路和光路同時制作出來，另一種方法是晶圓級封裝技術(shù)來實現(xiàn)，將光芯片和電芯片分別在不同的晶圓上制造，再通過先進的晶圓級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80年代，有學者開始探索如何在硅晶圓上制造光通道，以實現(xiàn)類似光纖的傳輸效果。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，解決了傳統(tǒng)集成電路在后摩爾時代面臨的帶寬和功耗瓶頸。

通過硅的半導體制造工藝，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。這種方式不僅繼承了硅材料的高集成度和低成本優(yōu)勢，還結(jié)合了光子技術(shù)的大帶寬和低損耗特點，應用于光通信等眾多的領(lǐng)域。通過硅光平臺技術(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個數(shù)量級，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題逐漸顯現(xiàn)，而硅光模塊則通過高集成度和低功耗的優(yōu)勢脫穎而出，未來有望主導全球光通信市場。

硅光芯片的市場前景廣闊，主要集中在光傳輸、光傳感和光計算三個領(lǐng)域。根據(jù)Yole和LightCounting等行業(yè)機構(gòu)的預測，硅光芯片的年增長率預計達到25%至44%。在2022年，硅光芯片在通信市場的規(guī)模已達到30億美元，預計到2025年至2030年，其在傳感領(lǐng)域的市場規(guī)模將達到數(shù)百億美元，而在2030年至2035年，硅光芯片在計算領(lǐng)域的市場規(guī)模則有望突破千億美元。

盡管硅材料具有許多優(yōu)點，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族材料來實現(xiàn)光發(fā)射。為了進一步提升硅光芯片的性能，科學家們正在探索低維材料、磁光材料等新材料的應用，這些材料有望通過與硅光集成，實現(xiàn)更高效、更高性能的光電器件。

近年來，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個通道，每個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個光通道，而3D硅光引擎則可以擴展到16、32甚至64個通道，從而實現(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個通道，每個方向的傳輸速率高達32 Gbps，且傳輸距離超過100米。

在中國市場，許多企業(yè)已經(jīng)開始大規(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)并向市場供貨。這些企業(yè)的積極參與使得中國在全球硅光產(chǎn)業(yè)中的地位不斷提升。

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