光子芯片技术发展现状及趋势

2020-05-05 - 光子芯片

大规模集成电路已经走了近五十年的历程。其主流技术CMOS的集成度每18个月翻一番(摩尔定律)。集成度的提高使芯片的功能成百上千倍的增强。现代科技可以说是以此为基础的。而集成光路技术的发展会带来同样的效应。

光子芯片技术

集成后的光器件除了功能上的益处外,其在总体成本上的益处比起集成电路来更胜一筹。由于单立光器件的封装成本要占到器件成本的2/3,集成可以大规模降低单立光器件的数量,从而降低总体的成本。同时,封装界面的减少也会是集成器件的性能成倍的提高。

光子芯片技术

目前比较经济的发展思路是将集成光子工业基于微电子工业之上,使用硅晶作为集成光学的制造平台。这将使全球历时五十年、投入数千亿美元打造的微电子芯片制造基础设施可以顺理成章地进入集成光器件市场,将成熟、发达的半导体集成电路工艺应用到集成光器件上来,一下子将集成光学工业的水平提高。这正是目前发展良好的硅光子技术的发展思路。

虽然硅光子还面临很多技术瓶颈,但在整个产业界的向心力下,正在被一个一个的克服,产业界对硅光子大规模商用也抱有极大的信心。尤其是数据中心的短距离应用,让硅光子找到了最合适的用武之地。数据中心的巨大潜力,以及英特尔等厂商的大力推动,促使硅光子的研发进程进一步加速。目前,硅光子技术已经进入集成应用阶段。

根据Yole Développement在2014年针对硅光子产业的报告,硅光子的产业链与电子集成电路的产业链相似,上游主要包括晶圆、制造设备和原材料供应商,中游则是负责设计、制造和封装的芯片公司,下游则主要分为光互连公司、服务器公司和谷歌、亚马逊、微软等最终用户公司。Yole Développement认为,最终用户公司是硅光子技术在数据中心方面研发的主要驱动力。

硅光子技术的应用挑战主要来自技术方面。激光光源的集成便是一个主要技术挑战,对此,锑化铟芯片上的激光芯片后端处理或将是一个值得关注的方法。功耗问题也很重要。目前的功耗水平大约在10pJ/bit,2025年的目标是要将功耗降低到200fJ/ bit以下。

此外,产业界也需要从并行光纤发展至波分复用技术(wavelength division multiplexing,WDM),大多数厂商都在其产品路线图中规划了波分复用技术。

封装也是目前的主要技术障碍,约占最终收发器产品成本的80~90%,主要由于光学校准要求非常严格,并且增加了组装所需要的时间。现在,MEMS技术或能帮助解决这些问题,Kaiam公司和Luxtera公司在这方面做了很多开拓性的工作,并建立了一些方案来提供低成本光子组装试验产线,尤其是在欧洲。这些技术挑战都和成本相关,目标是从目前的5美元/Gb,到2020年降至0.1美元/Gb以下。

虽然硅光子技术供应链正在逐步形成过程中,落后主流的硅半导体供应链好多年。然而,纵观全球,大举的研发并购和相关项目正在进行,为现有厂商做好知识产权布局。对于外包半导体组装和测试厂商来说,由于市场对低成本封装解决方案的需求,其机遇也必定会增加。随着晶圆消耗数量的增长,将驱动成本不断降低,硅光子代工厂必定会涌现出来。

图表:未来硅光子集成发展路线图

资料来源:Optoelectronics Research Centre, University of Southampton

目前国外的主流企业认为,硅光子下一款产品或许将会是基于硅光子技术的收发器。除此之外,硅光子技术也将应用于其它产品,如光学生物传感器、气体传感器以及无人驾驶汽车应用的激光雷达传感器等。硅光子技术能够通过光学功能集成和微型化进一步获得有价值的产品,由此将推动两种特别有前景的应用发展,它们分别是无人驾驶汽车应用的激光雷达传感器和生化传感器。

美国一直注重光子产业的发展,早在1991年就成立了“美国光电子产业振兴会”(OIDA),以引导资本和各方力量进入光电子领域。2008~2013年,DARPA开始资助“超高效纳米光子芯片间通讯”项目(Ultraperformance Nanophotonic Intrachip Communications,UNIC)。

目标是开发和CMOS兼容的光子技术用于高通量的通讯网络。2014年,美国建立了“国家光子计划”产业联盟,明确将支持发展光学与光子基础研究与早期应用研究计划开发,支持4大研究领域及3个应用能力技术开发,并提出了每一项可开发领域的机会和目标。

美国以IBM、Intel、Luxtera公司为代表,近年来都在光互连技术研发方面取得了不错的成绩。

日本发展光电子技术时间也较早,1980年,为推动光电子技术的发展,日本成立了光产业技术振兴协会(OITDA)。在产业化及市场方面,由于光电领域的重大技术发明多产生于美国,因此,早期日本政府主要是靠引进外国技术进行消化吸收,后期则是自主创新过程。

2010年,日本开始实施尖端研究开发资助计划(FIRST),该计划由日本内阁府提供支援。FIRST计划是从600个提案中选出30个核心科研项目予以资助,项目资助的总金额达到1000亿日元。光电子融合系统基础技术开发(PECST)是FIRST计划的一部分,以在2025年实现“片上数据中心”为目标。

硅光子技术在欧洲各国也受到了广泛的关注。2010年前,为了发展光电子集成电路(OEIC),欧洲发起了几大项目:PICMOS项目验证硅回路上InP键合器件的全光链路;随后发起的WADIMOS项目进一步验证光网络;英国硅光子学项目和欧洲HELIOS项目主要关注光电子集成的电信设备,可以完成SOI光子回路的晶片键合或光子金属层的低温制造。

从2013开始, 欧盟的节能硅发射器使用III-V族半导体量子点和量子点材料的异质集成(SEQUOIA)项目一直在开发具有较好的热稳定性、高调制带宽以及可能产生平面波分复用蜂窝的混合III-V激光器。

作为欧盟第七框架计划(FP7)研发领域的具体目标研究项目(STREP)之一,IRIS项目由爱立信与欧洲委员会联合创建,旨在利用硅光子技术,创建高容量和可重构WDM光交换机,实现在单个芯片上整体集成电路。

2013年,欧盟启动4年期针对硅光子技术的欧盟PLAT4M(针对制造的光字库和技术)项目。该项目的目的是打造硅光子技术的整个产业链,聚集了以法国微电子和纳米技术研究中心CEA-Leti为领导的包括德国Aifotec公司等在内的15家欧盟企业和研究机构以及潜在用户。

在硅基光子学研究方面,我国较早开展了相关研究,例如中科院半导体研究所的王启明院士近年来专心致力于硅基光子学研究,主持了国家自然科学基金重点项目“硅基光电子学关键器件基础研究”,在硅基发光器件的探索、硅基非线性测试分析等方面取得了许多进展。但从整体来看,我国对硅基光子学的研究与世界相比还有一定差距。

我国硅光子产业也处于发展初期,产业基础较为薄弱。目前,光迅科技、华为、海信都已经在硅光子产业开展部署规划,光迅科技已经投入研发探索硅光集成项目的协同预研模式,力争打通硅光调制、硅光集成等多个层面的合作关节,但是国内整体技术发展距离发达国家仍有较大的差距。

中国在光电子器件制造装备研发投入分散,没有建立硅基和 InP 基光电子体系化研发平台。随着国内企业综合实力逐渐增强,以及国家集成电路产业的扶持,国内厂商需要不断加快推进硅光子项目。

美国宾夕法尼亚大学的Ritesh Agarwal教授在TED演讲上对硅基纳米光子技术的介绍,听这位大牛的课一定很心酸,因为口音实在在是太浓厚了。。。。还好我们有字幕

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