對(duì)于光子學(xué)，硅不是一種可行的材料。

集成電路 (IC) 首次開發(fā)于 20 世紀(jì) 50 年代后期，也稱為芯片或微芯片，是當(dāng)今使用的幾乎所有電子設(shè)備的關(guān)鍵組成部分。大多數(shù)現(xiàn)代 IC 芯片由半導(dǎo)體晶片制成并由電力驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)在以平方毫米為單位進(jìn)行測(cè)量，并且可以由數(shù)千或數(shù)百萬(wàn)個(gè)微型電阻器、電容器、二極管和晶體管組成。

然而，隨著芯片變得越來越小型化，我們正在快速接近這樣一個(gè)點(diǎn)，即物理上不可能在晶圓上安裝更多組件。這個(gè)被稱為后摩爾定律的世界最早可能在 2036 年出現(xiàn)在我們面前，并可能對(duì)半導(dǎo)體工程的進(jìn)一步發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

更糟糕的是，由于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備和人工智能 (AI) 導(dǎo)致的數(shù)據(jù)使用量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，目前的 IC 芯片已經(jīng)承受著巨大的壓力。簡(jiǎn)而言之，當(dāng)前的 IC 架構(gòu)無(wú)法應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求的挑戰(zhàn)，這導(dǎo)致了帶寬瓶頸和數(shù)據(jù)傳輸速度下降。

幸運(yùn)的是，近年來集成光子學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步迅速擴(kuò)大，很可能會(huì)形成一種新型 IC 架構(gòu)的基礎(chǔ)，這種架構(gòu)使用光而不是電來發(fā)送信號(hào)和驅(qū)動(dòng)組件。

什么是集成光子學(xué)？

光子集成電路 (PIC)，也稱為光子芯片，是一種使用兩個(gè)或多個(gè)光子元件形成功能電路的微芯片。光子芯片與電子芯片的區(qū)別在于它使用光粒子（光子）而不是電（電子）來感知和傳輸信息。

光子允許比電子芯片更大的帶寬。此外，光子不會(huì)像電子那樣遇到彼此的任何阻力，這意味著更快的數(shù)據(jù)傳輸速度和更低的熱效應(yīng)。

將光子芯片與電子芯片區(qū)分開來的另一件事是其構(gòu)造中使用的基板材料。在大多數(shù)電子芯片中，硅是首選，因?yàn)樗哂懈邔?dǎo)電性、低成本和成熟的加工技術(shù)。

然而，對(duì)于光子學(xué)，硅不是一種可行的材料，因?yàn)樗且环N不良的光發(fā)射體。相反，光子學(xué)發(fā)展中出現(xiàn)了三種不同的襯底——即磷化銦 (InP)、氮化硅 (SiN) 和硅/二氧化硅光子學(xué) (SiP)。芯片制造商選擇使用何種材料將取決于芯片的預(yù)期應(yīng)用，因?yàn)槊糠N基板都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。從理論上講，有一天可能會(huì)結(jié)合所有三種材料來制造最終的 PIC，但鑒于當(dāng)前 PIC 市場(chǎng)的規(guī)模有限，制造商進(jìn)行這樣的努力尚不具有經(jīng)濟(jì)意義。

數(shù)據(jù)和電信中的光子學(xué)

光子芯片的主要優(yōu)勢(shì)之一是改進(jìn)了數(shù)據(jù)通信，這導(dǎo)致 PIC 在不同行業(yè)領(lǐng)域的許多應(yīng)用，包括自動(dòng)駕駛、生物醫(yī)學(xué)、天文學(xué)、國(guó)防和航空航天。但從光子學(xué)的進(jìn)步中獲益最多的兩個(gè)行業(yè)可能是數(shù)據(jù)管理和電信行業(yè)。這就是未來幾十年光子芯片可能對(duì)數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生最大影響的地方。

數(shù)據(jù)中心的集成光子學(xué)

2010 年至 2018 年期間，全球互聯(lián)網(wǎng)流量增長(zhǎng)了 10 倍以上，而全球數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)容量增長(zhǎng)了 25 倍。隨著新的可能性的出現(xiàn)，每天生成和消耗的數(shù)據(jù)量的這種巨大增長(zhǎng)只會(huì)持續(xù)下去來自人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。由于這些不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求，用于連接服務(wù)器的傳統(tǒng)銅纜正遭受影響整個(gè)系統(tǒng)的帶寬瓶頸。

雖然銅纜往往會(huì)在幾 Gbps 內(nèi)達(dá)到其帶寬限制，但光纖的限制幾乎是無(wú)限的，允許傳輸速度達(dá)到數(shù)百 Gbps 或 Tbps，并具有超低延遲。此外，數(shù)據(jù)中心還可以將光子芯片與高帶寬發(fā)射器和接收器等板載組件集成在一起，從而顯著提高系統(tǒng)性能和可靠性。

節(jié)約能源使用成本

電子通過銅線時(shí)遇到的電阻的后果之一是產(chǎn)生大量的熱量。這對(duì)于電子芯片中使用的硅來說可能是個(gè)大問題，因?yàn)楣柙跓釕?yīng)力下往往會(huì)迅速分解。因此，需要大量的冷卻來保持?jǐn)?shù)據(jù)中心的運(yùn)行，這反過來又導(dǎo)致大量的能源消耗和高碳排放。據(jù)估計(jì)，僅冷卻一項(xiàng)就占數(shù)據(jù)中心能耗的 33%。

相比之下，PIC 產(chǎn)生的熱量要少得多。事實(shí)上，它們產(chǎn)生的熱量非常少，不需要任何專用的冷卻系統(tǒng)。隨著數(shù)據(jù)中心面臨著減少能源消耗的壓力，作為減少碳排放的一部分，這種極端的能源效率在未來幾年可能會(huì)變得更加重要。

下一代 6G 網(wǎng)絡(luò)

即使 5G 繼續(xù)在全球范圍內(nèi)推廣，電信公司也已經(jīng)在討論 6G 的潛在設(shè)計(jì)，6G 有望比 5G 快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。6G 預(yù)計(jì)將在本世紀(jì)末推出，可提供高達(dá) 1 Tbps 的速度，為 3D 全息視頻、8K 流媒體以及改進(jìn)的人工現(xiàn)實(shí) (AR) 和虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 設(shè)備的新進(jìn)展打開大門。光子學(xué)肯定是 6G 的決定性技術(shù)，因?yàn)樗梢栽趲捄蛡鬏斔俣确矫骘@著改善電子技術(shù)。

最后的想法

未來十年，光子芯片顯然將成為數(shù)據(jù)和電信領(lǐng)域的首選。它們能夠以低熱效應(yīng)在寬帶寬上提供閃電般的速度，使其成為處理快速數(shù)字化社會(huì)日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求的最佳解決方案。也就是說，必須牢記這只是光子學(xué)的開始。不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求肯定會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)它們的發(fā)展，從而導(dǎo)致新的用例和擴(kuò)大的市場(chǎng)，這些市場(chǎng)可能會(huì)在未來五年內(nèi)達(dá)到新的高度。

光子產(chǎn)業(yè)是推動(dòng)21 世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。光子學(xué)是關(guān)于光的科學(xué)和技術(shù)，特別是光的產(chǎn)生、指引、操縱、增強(qiáng)和探測(cè)。從通信到衛(wèi)生保健，從生產(chǎn)材料加工到照明設(shè)備和太陽(yáng)能光伏，到日常使用的DVD播放器和手機(jī)，光子技術(shù)已經(jīng)滲透到生產(chǎn)生活的方方面面。谷歌、通用汽車等信息通訊技術(shù)、制造業(yè)企業(yè)，對(duì)光學(xué)與光子技術(shù)十分依賴。

目前，光子芯片技術(shù)已經(jīng)由硅光子集成技術(shù)向納米光子學(xué)范疇邁進(jìn)。在材料方面，石墨烯等先進(jìn)材料的研究也有望將光子芯片技術(shù)的應(yīng)用推向新的高度。隨著光子技術(shù)的不斷發(fā)展，光子技術(shù)將幫助突破計(jì)算機(jī)電子技術(shù)的局限;通過大幅增加數(shù)據(jù)容量和提高數(shù)據(jù)傳輸速度，它將推動(dòng)通信行業(yè)進(jìn)入太比特時(shí)代，同時(shí)降低碳足跡和單位成本。

業(yè)界普遍認(rèn)為，光子學(xué)具有類似于電子學(xué)的發(fā)展模式，都是由光子器件向光子集成，光子系統(tǒng)方向發(fā)展。

大規(guī)模集成電路已經(jīng)走了近五十年的歷程。其主流技術(shù)CMOS的集成度每18個(gè)月翻一番(摩爾定律)。集成度的提高使芯片的功能成百上千倍的增強(qiáng)?，F(xiàn)代科技可以說是以此為基礎(chǔ)的。而集成光路技術(shù)的發(fā)展會(huì)帶來同樣的效應(yīng)。集成后的光器件除了功能上的益處外，其在總體成本上的益處比起集成電路來更勝一籌。由于單立光器件的封裝成本要占到器件成本的2/3，集成可以大規(guī)模降低單立光器件的數(shù)量，從而降低總體的成本。同時(shí)，封裝界面的減少也會(huì)使得集成器件的性能成倍的提高。

目前比較經(jīng)濟(jì)的發(fā)展思路是將集成光子工業(yè)基于微電子工業(yè)之上，使用硅晶作為集成光學(xué)的制造平臺(tái)。這將使全球歷時(shí)五十年、投入數(shù)千億美元打造的微電子芯片制造基礎(chǔ)設(shè)施可以順理成章地進(jìn)入集成光器件市場(chǎng)，將成熟、發(fā)達(dá)的半導(dǎo)體集成電路工藝應(yīng)用到集成光器件上來，一下子將集成光學(xué)工業(yè)的水平提高。這正是目前發(fā)展良好的硅光子技術(shù)的發(fā)展思路。

雖然硅光子還面臨很多技術(shù)瓶頸，但在整個(gè)產(chǎn)業(yè)界的向心力下，正在被一個(gè)一個(gè)的克服，產(chǎn)業(yè)界對(duì)硅光子大規(guī)模商用也抱有極大的信心。尤其是數(shù)據(jù)中心的短距離應(yīng)用，讓硅光子找到了最合適的用武之地。數(shù)據(jù)中心的巨大潛力，以及英特爾等廠商的大力推動(dòng)，促使硅光子的研發(fā)進(jìn)程進(jìn)一步加速。目前，硅光子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入集成應(yīng)用階段。

根據(jù)Yole Développement在2014年針對(duì)硅光子產(chǎn)業(yè)的報(bào)告，硅光子的產(chǎn)業(yè)鏈與電子集成電路的產(chǎn)業(yè)鏈相似，上游主要包括晶圓、制造設(shè)備和原材料供應(yīng)商，中游則是負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、制造和封裝的芯片公司，下游則主要分為光互連公司、服務(wù)器公司和谷歌、亞馬遜、微軟等最終用戶公司。Yole Développement認(rèn)為，最終用戶公司是硅光子技術(shù)在數(shù)據(jù)中心方面研發(fā)的主要驅(qū)動(dòng)力。

硅光子技術(shù)的應(yīng)用挑戰(zhàn)主要來自技術(shù)方面。激光光源的集成便是一個(gè)主要技術(shù)挑戰(zhàn)，對(duì)此，銻化銦芯片上的激光芯片后端處理或?qū)⑹且粋€(gè)值得關(guān)注的方法。功耗問題也很重要。目前的功耗水平大約在10pJ/bit，2025年的目標(biāo)是要將功耗降低到200fJ/ bit以下。此外，產(chǎn)業(yè)界也需要從并行光纖發(fā)展至波分復(fù)用技術(shù)(wavelength division multiplexing，WDM)，大多數(shù)廠商都在其產(chǎn)品路線圖中規(guī)劃了波分復(fù)用技術(shù)。

封裝也是目前的主要技術(shù)障礙，約占最終收發(fā)器產(chǎn)品成本的80~90%，主要由于光學(xué)校準(zhǔn)要求非常嚴(yán)格，并且增加了組裝所需要的時(shí)間?，F(xiàn)在，MEMS技術(shù)或能幫助解決這些問題，Kaiam公司和Luxtera公司在這方面做了很多開拓性的工作，并建立了一些方案來提供低成本光子組裝試驗(yàn)產(chǎn)線，尤其是在歐洲。這些技術(shù)挑戰(zhàn)都和成本相關(guān)，目標(biāo)是從目前的5美元/Gb，到2020年降至0.1美元/Gb以下。

雖然硅光子技術(shù)供應(yīng)鏈正在逐步形成過程中，落后主流的硅半導(dǎo)體供應(yīng)鏈好多年。然而，縱觀全球，大舉的研發(fā)并購(gòu)和相關(guān)項(xiàng)目正在進(jìn)行，為現(xiàn)有廠商做好知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局。對(duì)于外包半導(dǎo)體組裝和測(cè)試廠商來說，由于市場(chǎng)對(duì)低成本封裝解決方案的需求，其機(jī)遇也必定會(huì)增加。隨著晶圓消耗數(shù)量的增長(zhǎng)，將驅(qū)動(dòng)成本不斷降低，硅光子代工廠必定會(huì)涌現(xiàn)出來。

審核編輯：劉清