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硅光时代临近 芯片技术持续提升

导读: 硅光子技术是基于硅材料,利用现有CMOS工艺进行光器件开发与集成的新一代通信技术。

硅光子技术是基于硅材料,利用现有CMOS工艺进行光器件开发与集成的新一代通信技术。硅光子技术的核心理念是“以光代电”,将光学器件与电子元件整合到一个独立的微芯片中,利用激光作为信息传导介质,提升芯片间的连接速度。随着流量的持续爆发,芯片层面的“光进铜退”将是大势所趋,硅光子技术有望实现规模商用化。

硅光时代临近,芯片集成度有望大幅提升

近年来,随着物联网、大数据等应用的快速发展,全球数据流量呈快速增长态势,对传输的需求也逐渐提升。目前,传统光模块主要利用III-V族半导体芯片、电路芯片、光学组件等器件封装而成,本质上属于“电互联”范畴。随着晶体管加工尺寸逐渐缩小,电互联将逐渐面临传输瓶颈。目前,对于传统的三五族半导体光芯片,25Gbps已接近传输速率的瓶颈,进一步提升速率需要采用PAM4等技术。随着高速光模块在数据中心的大量运用,传统III-V族半导体的光芯片将面临并行传输、三五族磊晶成本高昂等问题。在此背景下,硅光子技术应运而生,成为III-V族半导体之外的一大选择。

硅光时代临近,芯片技术持续提升

在硅光子技术中,芯片的概念由原先的激光器芯片延伸至集成芯片。从结构上看,硅光芯片包括光源、调制器、波导、探测器等有源芯片及源芯片。硅光芯片将多个光器件集成在同一硅基衬底上,一改以往器件分立的局面,芯片集中度大幅提升。硅光子技术主要有以下三大优势:

(1)集成度高。硅光子技术以硅作为集成芯片的衬底。硅基材料成本低且延展性好,可以利用成熟的硅CMOS工艺制作光器件。与传统方案相比,硅光子技术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)成本下降潜力大。在光器件和光模块中,光芯片的成本占比较高。传统的GaAs/InP衬底因晶圆材料生长受限,生产成本较高。近年来,随着传输速率的进一步提升,需要更大的三五族晶圆,芯片的成本支出将进一步提升。与三五族半导体相比,硅基材料成本较低且可以大尺寸制造,芯片成本得以大幅降低。

(3)波导传输性能优异。硅的禁带宽度为1.12eV,对应的光波长为1.1μm。因此,硅对于1.1—1.6μm的通信波段(典型波长1.31μm/1.55μm)是透明的,具有优异的波导传输特性。此外,硅的折射率高达3.42,与二氧化硅可形成较大的折射率差,确保硅波导可以具有较小的波导弯曲半径。

硅光技术持续发展,技术上不断取得突破

从发展历程看,硅光集成技术将遵循由光子集成→光电集成的发展过程,待技术成熟后指向芯片内部光互联。目前,通信领域的硅光模块属于光子集成范畴,从制造工艺看可分为两类:单片集成与混合集成。

单片集成主要利用传统的CMOS工艺,在硅晶圆上集成多个光器件。不过,硅的发光效率较低,无法作为光源,成为单片集成的瓶颈。一个折中的方法是:无源光器件在硅衬底上阵列化,光源采用III-V族半导体,混合集成技术应运而生。混合集成需要将III-V族半导体激光器键合在硅衬底上。键合技术包括利用DSV-BCB紫外胶键合,以及运用低温氧分子等离子键合等。

在硅光集成领域,Intel是耕耘最早、技术最为完善的厂商。其中,2004年至2010年是Intel的技术突破期,2010年至2016年是商用准备期。大量的研发费用投入为2016年的硅光模块商用奠定了坚实的基础。对于Intel而言,未来计算机芯片的内部光互联是其长远目标,在通信领域的硅光模块商用可谓初次试水。即便如此,Intel的硅光模块对于传统三五族半导体光模块依旧形成了不小的冲击。

目前,已量产的硅光模块,基于硅衬底的混合集成是主要方式。主要器件包括:在硅衬底表面集成激光器(III-V族半导体,以InP为主)、调制器(铌酸锂LiNbO3,具有优异的电光效应)、光探测器(Si中掺Ge)、硅波导(Si对于1.31μm/1.55μm通信波段透明)、波分复用及解复用器、耦合器等。

硅光子技术取得了高速发展,技术持续突破。不过,硅光子技术仍面临以下两大问题:

1、芯片良率低,成本优势不明显:目前,传统三五族半导体芯片的良率在90%以上,而硅光芯片需要将III-V族半导体键合在硅基衬底上。由于硅光集成的工艺尚未成熟,在激光耦合等步骤上的良率较低,导致硅光模块成本难以进一步提升。

2、硅波导与光纤的耦合效率低,性能优势不明显。硅基光波导的尺寸在0.4—0.5μm量级,远小于单模光纤尺寸(纤芯直径约8μm—10μm)。尺寸上的差别将导致模场的失配,需要利用硅基波导光栅进行耦合,在耦合过程中将产生损耗。

(作者:于海宁)

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