什么是硅光子技术？90nm硅光子工艺的光纤连接即将面世

在芯片技术的发展过程中，随着芯片制程的逐步缩小，互连线引起的各种效应成为影响芯片性能的重要因素。芯片互连是目前的技术瓶颈之一，而硅光子技术则有可能解决这一问题。

互连线相当于微型电子器件内部的街道和高速公路，可将晶体管、电阻、电容等各个元件连接起来，并与外界进行互动交流。当芯片越做越小时，互联线也需要越来越细，互连线间距缩小，电子元件之间引起的寄生效应也会越来越影响电路的性能。常见的互连线材料诸如铝、铜、碳纳米管等，而这些材质的互联线无疑都会遇到物理极限，而光互连则不然。

并且，基于计算机与通信网络化的信息技术也希望其功能器件和系统具有更快的处理速度、更大的数据存储容量和更高的传输速率。仅仅利用电子作为信息载体的硅集成电路技术已经难以满足上述要求。

硅光子技术是一种光通信技术，使用激光束代替电子半导体信号传输数据，是基于硅和硅基衬底材料，利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。最大的优势在于拥有相当高的传输速率，可使处理器内核之间的数据传输速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被认为是新一代半导体技术。

历史上硅光子是在SOI上开发的，但SOI晶圆价格昂贵，而且不一定是所有不同光子学功能的最佳材料。同时随着数据速率的提高，硅上的高速调制正成为瓶颈，因此正在开发各种新材料，如LNO薄膜、InP、BTO、聚合物和等离子材料，以实现更高的性能。

2022 年 3 月，格芯发布了格芯 FotonixTM 新平台，在同一芯片上单片集成了高性能射频、数字 CMOS 和硅光子(SiPH)电路，同时利用 300 毫米芯片生产的规模、效率和严格的工艺控制。在数据中心互联、光网络、光子计算、光纤到户(FTTH)和联合封装光学等领域，格芯已经对这项创新技术进行了鉴定，以满足当今和未来最紧迫、最复杂和最困难的挑战。

而让硅光子技术进入制造商和最终客户手中的下一步是什么? 为硅光学创建端到端的生态系统。对于在市场上扩大格芯的光子技术至关重要。格芯表示，正在与封装、EDA 工具和其他关键类别的行业领导者合作，为其硅光子产品组合提供帮助，以创建端到端的生态系统，使其客户能够开发和制造创新的芯片。

格芯称，合作者 Fabrinet 就是为复杂产品的原始设备制造商提供先进光学封装和精密光学、机电和电子制造服务的供应商，这些产品包括光通信组件、模块和子系统、汽车部件、医疗设备、工业激光器和传感器。Fabrinet 结合格芯专长，实现了高光纤数、被动排列的光纤阵列，用于从硅光子芯片中输入和输出光。这项开发利用了 Fabrinet 在光学元件和组件方面现有的成熟的制造技术，以及共同包装的光学器件，通过将硅开关电路与光学器件包装在模块或封装中，消除了对收发器的需求。

获悉，利用格芯的硅光子样品并分享其工艺技术专长，Fabrinet 现在已经展示 90nm 硅光子学工艺的光纤连接能力。两家公司还合作将光纤连接引入格芯的 45nm 平台技术，包括格芯 Fotonix 硅光子晶片，并预计这些技术将在 2022 年底前得到全面测试和认证。在格芯的支持下，由 Fabrinet 开发的带有光纤连接的晶圆将在 2022 年底前完全达到 Telcordia 的行业标准。

硅光子被誉为硅芯片生产的重大突破。将高度先进的芯片从生产中转化为产品的过程是极其复杂的。这个过程从硅的可用性开始，并依赖于提供 EDA 工具、设计套件、软件、封装创新、测试工具和其他元素的生态系统，从而形成完整的硅解决方案。随着基于硅光子的芯片在今年晚些时候开始批量供应，该行业预计将在包括这些应用中看到显著的吸收：高性能计算、光量子计算 、人工智能 、电信 、联网 、虚拟和增强现实、国防和航空航天。光通信是以光波为载波的通信方式，根据传输介质的不同，可分为大气激光通信和光纤通信，产业链主要包含光通信器件、光通信系统、光通信应用三部分，其中光通信器件生产和测试是产业的上游环节。当前，光通信器件已经和集成电路(IC)、分立器件、传感器并列成为半导体产业四大分支。

从光通信器件的种类来看，主要分为有源器件和无源器件，前者主要是发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、光电二极管(PIN)、放大器和调制器等;后者主要是光纤连接器、耦合器、光开关、光衰减器和光隔离器等。

从产业发展的大趋势来看，未来光通信器件将主要以光集成技术(PIC)为核心，其中一大分支技术是基于III-V簇化合物半导体材料的光集成技术。通过硅光子学 (SiPho)技术，业界能够将传统用于CMOS集成电路上的技术经验转移到光通信器件上。

近日，全球领先的模拟半导体解决方案代工厂高塔半导体(Tower Semiconductor)联合网络通讯设备公司瞻博网络(Juniper Networks)推出全球首个硅光子代工就绪工艺，该工艺集成了III-V族激光器、放大器调制器和探测器。

III-V簇化合物半导体材料主要包括砷化镓、磷化铟、氮化镓等，III-V族激光器更多是有源器件，比如磷化铟便是一种主要用于实现通信波长大规模单片集成的材料。硅光子技术主要是利用现有CMOS 集成电路类似的技术来设计和制造光器件和光电集成电路。 目前，硅光子技术主要用于通信领域，正如高塔半导体所言，将率先解决数据中心和电信网络中的光连接问题，后续将逐步扩展到人工智能 (AI)、激光雷达和其他传感器等新兴应用中。