|
引言
8 ]+ D) p2 p1 k" u w近年來,人工智能(AI)和云計算的指數(shù)級增長推動了高速數(shù)據(jù)傳輸需求的激增。隨著傳統(tǒng)銅基互連接近其物理極限,硅基光電子技術(shù)成為滿足現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心不斷增長的帶寬需求的有力解決方案。本文將探討硅基光電子的基礎(chǔ)知識、關(guān)鍵組件以及其在革新數(shù)據(jù)中心互連方面的潛力[1]。* \% U) C# k1 C
# L) Q9 ]6 i5 ^, c$ [+ u硅基光電子的興起: R0 Y* M2 v) l Y
硅基光電子將光通信的優(yōu)勢與硅基半導體制造的可擴展性和成本效益相結(jié)合。通過將光學組件集成到硅芯片上,這項技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)銅互連更快、更節(jié)能、傳輸距離更長的數(shù)據(jù)傳輸。* g& C0 B' u, N7 g
qzm1gqmbydh64062679300.png (253.15 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
qzm1gqmbydh64062679300.png
2 小時前 上傳
4 j5 n5 i; o: K% }. J4 s圖1展示了不同數(shù)據(jù)速率下銅和光互連的傳輸損耗比較,突出了隨著速度增加光傳輸?shù)膬?yōu)勢。6 L8 x9 |' O5 U# v$ X% s! @# m
( y( J% H6 r$ b$ B
數(shù)據(jù)中心不斷增長的帶寬需求是推動硅基光電子技術(shù)采用的主要驅(qū)動力之一。隨著我們向400G、800G甚至1.6T傳輸速度邁進,傳統(tǒng)銅互連由于信號完整性問題和功耗問題而難以跟上。. S' x3 O4 R/ o4 Q/ ]
8 \/ c2 g& I k% [
硅基光電子的關(guān)鍵組件
# c; G$ k( D+ Z# U& P& v要理解硅基光電子,了解其關(guān)鍵組件非常重要:; w' W1 w7 [) c+ G
6 h$ m* C4 n# j. |1. 激光器:光源是任何光學系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件。在硅基光電子中,激光器通常由III-V族半導體材料制成,如磷化銦(InP)或砷化鎵(GaAs)。% E& h" C* E. `: l6 [
0h12t5uv1sj64062679401.png (210.89 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
0h12t5uv1sj64062679401.png
2 小時前 上傳
1 g1 k6 w8 t* q圖2展示了光通信中使用的不同類型的激光器,包括VCSEL、DML和EML,以及各自的特性和應用。
8 A8 d' P! o: l
% g) ~5 e/ O& w- ^' \8 ?' p+ x2. 調(diào)制器:這些器件將數(shù)據(jù)編碼到光信號上。常見類型包括馬赫-曾德調(diào)制器(MZM)、微環(huán)調(diào)制器(MRM)和電吸收調(diào)制器(EAM)。
" e5 K9 A- _* Q0 C4 {1 _* `: [
fxlqslosmf264062679501.png (316.42 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
fxlqslosmf264062679501.png
2 小時前 上傳
; S$ Q& W& e* C7 }( @0 P0 a
圖3比較了硅基光電子中使用的不同類型調(diào)制器(MZM、MRM和EAM),突出各自的優(yōu)缺點。$ C- H: N& }- H( P% ~5 |, V
: D/ i8 X& @0 |0 A; E
3. 波導:這些結(jié)構(gòu)在硅芯片中引導光,充當光線路的"導線"。
, `# D/ N! z3 c1 N% q2 ^$ g- v6 v0 ]0 }% ]' E) w5 q
4. 光電探測器:這些組件將光信號轉(zhuǎn)換回電信號以進行處理。. F# J5 ~: f+ u" d) j
6 i7 I* V% v7 S4 n8 c: p! L
5. 復用器/解復用器:這些器件結(jié)合或分離多個波長的光,實現(xiàn)波分復用(WDM)以增加數(shù)據(jù)容量。: [9 b) S6 K& k4 m, I- y
5 l$ M* E* N, T/ @8 f, s硅絕緣體(SOI)晶圓
; ]' `5 z5 T' y8 G; L4 z硅基光電子的基礎(chǔ)是硅絕緣體(SOI)晶圓。這種專用襯底由三層組成:硅襯底埋氧化層(BOX)頂層硅
8 z# }; n, j( g( D& U[/ol]+ r' y* s% [# l9 h' x4 m. O
- {& T# m; S/ o$ ?" t1 C
au2j2zf2tsk64062679601.png (185.41 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
au2j2zf2tsk64062679601.png
2 小時前 上傳
# S' k) _* k% \9 ~! n2 y8 S圖4顯示了硅基光電子中使用的硅絕緣體(SOI)晶圓的結(jié)構(gòu),突出了三層組成。' X8 B0 X4 ]' [/ q6 H! m! T$ N3 n/ w
: N" i: a+ T7 f) D8 |( T, C0 ^! ^% i- X
頂層硅用于創(chuàng)建波導和其他光學結(jié)構(gòu),而埋氧化層提供光學隔離。硅和二氧化硅之間的高折射率對比使得光能有效地被限制和操縱。
/ g4 \% H I. i$ f# D8 s
D( U+ }3 r; ]. f6 L& `+ V集成挑戰(zhàn)和解決方案
6 T- R2 n$ S$ ?( t硅基光電子面臨的最大挑戰(zhàn)之一是將III-V族激光器與硅芯片集成。為解決這個問題,已經(jīng)開發(fā)了幾種方法:, D; `( I* l& Z" M3 b
1. 芯片到晶圓鍵合
0 c$ M" f1 K/ h) b0 T* }2. 倒裝芯片集成: |2 G4 u I/ A
3. 轉(zhuǎn)印技術(shù)
V: G) c; l4 A8 C
y55bs5hcuo464062679701.png (312.87 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
y55bs5hcuo464062679701.png
2 小時前 上傳
" ]! I+ t: v: f* L: b$ o. Y圖5說明了將III-V族激光器與硅基光電子芯片結(jié)合的不同集成技術(shù),包括芯片到晶圓鍵合、倒裝芯片集成和轉(zhuǎn)印技術(shù)。
`1 _, O# e) a$ B- h0 e6 ]5 f/ [0 e& w
每種方法在可制造性、成本和性能方面都有優(yōu)缺點。正在進行的研究旨在改進這些集成技術(shù),并開發(fā)新方法以實現(xiàn)無縫的光電集成。
* A7 \0 {" W4 e" |0 L; i
% g( q0 U+ {; @" d4 r數(shù)據(jù)中心互連的演變$ i* f' G1 ?9 u
隨著數(shù)據(jù)中心不斷發(fā)展以滿足不斷增長的帶寬需求,光互連的架構(gòu)也在變化。行業(yè)正從傳統(tǒng)的可插拔收發(fā)器向更集成的解決方案發(fā)展: ]6 N6 ~- e/ @7 n$ l2 d1 ?1 W8 Q2 E
可插拔光學:當前標準,光收發(fā)器可以輕松插入或從交換機和服務器中移除。板載光學(OBO):光學組件直接安裝在PCB上,減少傳輸損耗。近封裝光學(NPO):光學引擎放置在交換機ASIC附近,進一步縮短互連距離。光電共封裝(CPO):光學組件與交換機ASIC集成在同一封裝中,最大限度地減少電互連長度。6 y6 X' y9 Y# Q! \$ H& ?
9 f1 T6 t6 O; I# P5 Y
; q) D& B% g5 `% ^7 x
5shmtfoo1zg64062679802.png (167.54 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
5shmtfoo1zg64062679802.png
2 小時前 上傳
* P5 y0 q. Y; w圖6展示了數(shù)據(jù)中心光互連架構(gòu)的演變,從可插拔光學到光電共封裝(CPO)。1 v# o5 d+ B% e6 [ p( F
# A; h9 ?4 b: s8 l- l7 i向CPO和其他集成解決方案的趨勢是由下一代數(shù)據(jù)中心減少功耗、改善信號完整性和增加帶寬密度的需求所驅(qū)動的。
% ~/ v# j6 Z9 \* J7 S) p) ^. l
市場趨勢和未來展望% m3 L2 |1 c, X+ }
硅基光電子市場在未來幾年將迎來顯著增長。根據(jù)PDF中提供的數(shù)據(jù):# I4 E9 K% G7 u! |# U4 r# @
qyoz3swgshg64062679902.png (217.09 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
qyoz3swgshg64062679902.png
2 小時前 上傳
* M; U% {6 _" b6 {2 W圖7展示了2022年至2027年硅基光電子芯片應用的市場預測,顯示各個領(lǐng)域的強勁增長。6 c9 }% t+ X, k! k# g7 K9 K
0 g" \: A) ^4 V主要增長驅(qū)動因素包括:$ c9 m: r0 b3 \
數(shù)據(jù)中心收發(fā)器光電共封裝(CPO)用于芯片到芯片通信的光學I/O用于傳感應用的激光雷達和光纖陀螺儀消費級生物傳感器和醫(yī)療設(shè)備
# n& d6 N4 B9 h1 s( f
+ M7 Q# u" N' [9 s1 t0 F+ W隨著技術(shù)的成熟,我們可以預期硅基光電子技術(shù)將擴展到數(shù)據(jù)中心應用之外的領(lǐng)域,如高性能計算、汽車和消費電子。$ F+ Z; [+ O7 c/ `
3 s, o5 z Y! B' L行業(yè)格局和供應鏈
C! @$ C) ]) G# x硅基光電子行業(yè)目前由少數(shù)幾家主要公司主導,主要來自美國。英特爾、思科和博通在數(shù)據(jù)通信收發(fā)器出貨量方面領(lǐng)先市場。& t( M' j7 q* D* f9 |
horecq4yj3i64062680002.png (203.99 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
horecq4yj3i64062680002.png
2 小時前 上傳
) P! c8 C7 y8 q( r圖8顯示了2022年全球數(shù)據(jù)通信光收發(fā)器出貨量的市場份額,突出了英特爾和思科等主要參與者的主導地位。
2 x' ]/ ?( R% k6 W
7 H2 q6 S5 r7 X6 `) O然而,這一格局正在快速演變,新進入者和合作正在重塑供應鏈。晶圓廠、設(shè)計公司和封裝公司都在爭奪不斷增長的硅基光電子市場份額。
2 f- O2 [( K1 s4 a: E
1gvq3bi4wfk64062680103.png (335 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
1gvq3bi4wfk64062680103.png
2 小時前 上傳
) |9 t( e: h: c* q圖9說明了硅基光電子供應鏈,展示了設(shè)計公司、晶圓廠、模塊Assembly公司和最終客戶之間的關(guān)系。
- T: _+ i' z& o9 |$ M2 w5 a* X) k* |5 M2 T3 n/ @6 }, T
結(jié)論
' S4 T- q& O k6 @7 @硅基光電子技術(shù)代表了數(shù)據(jù)中心互連的范式轉(zhuǎn)變,為實現(xiàn)空前的帶寬、能效和集成密度提供了可能。隨著技術(shù)的不斷成熟,可以預期在數(shù)據(jù)中心及其他領(lǐng)域?qū)V泛采用這項技術(shù)。/ I& ^ T1 _% d- h/ i0 E
" T: r. T1 g" M% H6 R9 t' F
主要要點:
: E' ]" L0 _ Y硅基光電子技術(shù)實現(xiàn)了在硅芯片上進行高速、高能效的光通信。III-V族激光器與硅的集成仍然是一個挑戰(zhàn),但解決方案正在不斷改進。行業(yè)正朝著更集成的架構(gòu)(如光電共封裝)發(fā)展。硅基光電子市場預計將快速增長,由數(shù)據(jù)中心和新興應用驅(qū)動。跨供應鏈的合作對推進硅基光電子技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要。
, v- V ^$ m* F c5 q1 I
% T6 l! O( l+ l2 I1 H6 z參考文獻
a* z7 r, o! Y- A7 ?' l[1] C. Chang, "Silicon Photonics Technologies, Materials and Market," Industrial Technology Research Institute, May 29, 2024. [Online presentation].
5 r; t- ] i0 x- P8 c! H o- pEND" S+ I- J2 ^% f9 a/ h
0 p# a, ?4 K, l6 }% n1 i
6 Q4 c5 s* O) \, v
( O6 k# {8 {9 I6 C* c# R9 }軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應用,PIC Studio都可提升您的工作效能。
2 g* @& y F) h/ e9 F點擊左下角"閱讀原文"馬上申請
( Z7 d% ]9 j6 y" \& ]
' v0 F# R7 }. U+ |歡迎轉(zhuǎn)載
6 b6 X5 n& T1 W* a8 n4 D1 r5 D3 M8 z# |+ o+ H4 C* e
轉(zhuǎn)載請注明出處,請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!8 m# w/ [- k8 Z$ d
# t2 e* F7 Q4 I( e. e
7 L3 K$ x/ J8 P( Z; b+ S6 e- \
& ~8 t3 o9 r1 f) r: z" K! i
mr0qql5avib64062680203.gif (16.04 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
mr0qql5avib64062680203.gif
2 小時前 上傳
& G$ ]2 j2 f' _4 i$ f
1 C' d% U t3 W; }6 C6 B
關(guān)注我們
; b% Y% y; ~3 e6 k' i8 S& M
$ |) r, _1 L6 V; a: R. \' y/ G) f/ I# N4 e2 e. ]
0gjifennrhq64062680303.png (31.33 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
0gjifennrhq64062680303.png
2 小時前 上傳
+ H% {* {# H$ c% i [7 i3 {( p, e. D
|
, r$ R+ H) N8 {' S
nkhohxfy5a364062680403.png (82.79 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
nkhohxfy5a364062680403.png
2 小時前 上傳
: q R/ F5 Y% i! x; F& m4 E
|
; Z# g2 J6 U3 ?' p w d; y
ju525lz30lw64062680503.png (21.52 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
ju525lz30lw64062680503.png
2 小時前 上傳
* K$ J4 w% K t4 z5 l | . p, C4 F- q$ `. A( M% U
: Q- g. |8 _3 p! e: p
# n+ M3 N7 g5 Z: O6 B
L& F% G6 R, x, j) W關(guān)于我們:2 w6 L* f3 g8 f2 z4 n0 j2 o
深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導體芯片設(shè)計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務,廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務。. ^9 `5 X7 z1 H% Z. M
+ ]1 l3 m5 c8 |" ` |% @
http://www.latitudeda.com/7 }1 ]- k! p5 F# r+ ~
(點擊上方名片關(guān)注我們,發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容) |
|