硅基光電子材料和市場展望

逍遙設(shè)計自動化

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]。

# L) Q9 ]6 i5 ^, c$ [+ u硅基光電子的興起
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。

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。

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。

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：

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）。

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。
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% 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）。
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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。

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"。
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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。

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。

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
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# 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。

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。
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  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：
1. 芯片到晶圓鍵合
0 c$ M" f1 K/ h) b0 T* }2. 倒裝芯片集成
3. 轉(zhuǎn)印技術(shù)
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" ]! 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)。
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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。
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% g( q0 U+ {; @" d4 r數(shù)據(jù)中心互連的演變
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：

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。


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* 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）。

# 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。
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市場趨勢和未來展望
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)：

* 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。

0 g" \: A) ^4 V主要增長驅(qū)動因素包括：

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
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+ 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。

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。

) 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。
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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
) |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。
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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)�廣泛采用這項技術(shù)。

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。
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% 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].
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