從新思科技與瞻博網(wǎng)絡（Juniper Networks）新成立的硅光子合資公司OpenLight，到英特爾在多波長集成光子學領域取得的進步，硅光子技術無疑正處在風口上。硅光子技術是指使用CMOS工藝來制造光子電路，這一方法不僅能夠利用半導體晶圓級的制造能力，也讓那些利用光特性進行計算、通信、傳感和成像的新型電子應用的優(yōu)勢凸顯，所以硅光子技術越來越多地用于光學數(shù)據(jù)通信、傳感、生物醫(yī)學、汽車、虛擬現(xiàn)實（VR）和人工智能（AI）等領域。 最近發(fā)現(xiàn)，硅光子技術的主要挑戰(zhàn)是增加分立的激光器作為光子電路“光源”所產(chǎn)生的成本，包括制造成本，以及將這些激光器集成并排列到光子芯片上的成本。本文將從硅光子行業(yè)的宏觀層面，詳細闡述包括電子集成的優(yōu)勢、如何加速各個市場的光子芯片設計、以及各家公司為什么有意轉向集成激光器等問題。

什么是硅光子技術？

光具有波粒二象性，這意味著光能夠像波或粒子那樣運動，而且這種行為是可以操控的。“光學”一詞是指對光的研究，這里的光通常指人眼可見的光，例如汽車前照燈發(fā)出的光、放大鏡等透鏡反射的光等。“光子學”一詞則代表著在小得多的尺度（小于幾微米）下反射或操縱光的系統(tǒng)。集成光子技術則是指使用半導體技術通過晶圓來制造光子系統(tǒng)。 換句話說，硅光子技術是一種基于材料的平臺，借助該平臺，開發(fā)者們可以利用絕緣體上硅（SOI）晶圓作為半導體襯底材料，來制造光子集成電路（PIC）。這項技術目前非常受歡迎，而且從技術角度也更切實可行了。 最初，集成光子技術主要用于電信和長距離數(shù)據(jù)通信應用中，并摻雜石英玻璃、鈮酸鋰或磷化銦等材料作為表面材料。但是，絕大多數(shù)半導體行業(yè)為實現(xiàn)高產(chǎn)量和低成本，通常是使用硅作為制造集成CMOS電路的主要材料。 由于光子的物理特性，它非常適合在成熟的CMOS工藝節(jié)點上采用，用以設計和制造光子器件和電路。如今，硅光子技術已經(jīng)利用成熟的CMOS工藝制造和設計生態(tài)系統(tǒng)，開始構建集成光子系統(tǒng)，而該生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)證明具有非常高的規(guī)模經(jīng)濟效益。

硅光子技術的主要優(yōu)勢

現(xiàn)在，硅光子行業(yè)可以在晶圓上有效地制造PIC，PIC的其中一項主要優(yōu)勢是它們能夠實現(xiàn)、擴展和增加數(shù)據(jù)傳輸。傳統(tǒng)的長距離連接是通過銅來互連的，但面對日益增長的帶寬和能耗需求，銅互連的效果逐漸接近極限。現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)開始使用光來連接，因此在網(wǎng)絡架構中可以更多實現(xiàn)短距離連接。將光連接到距離接口ASIC更近的地方是當下的最新趨勢，即從可插拔光收發(fā)器移到與接口處于同一封裝內的光學I/O芯片中。這樣做可以縮短高速SerDes鏈路的距離，從而降低I/O的總體能耗。

硅光子應用

除數(shù)據(jù)中心外，硅光子技術還可用于傳感應用領域，比如用于幫助確定周圍環(huán)境特性的光學傳感、信號傳輸，以及反射或傳輸光信號等。這種傳感活動對于健康和生物醫(yī)學領域的開發(fā)也十分有幫助，如診斷和分析、消費類健康穿戴應用，以及用于工業(yè)自動化和自動駕駛的激光雷達等。 固態(tài)激光雷達芯片在自動駕駛汽車和工業(yè)自動化領域越來越受重視。激光雷達不使用射頻信號，而是利用表面反射的光來分析和傳遞關鍵的路況信息，并提供有關車輛應對措施的信息（例如，物體移動的方向、可能存在障礙物的位置等）。當然了，在設計任何汽車有關的產(chǎn)品時，安全規(guī)定都必須考慮在內。 在激光雷達廣泛、大規(guī)模的消費應用方面，一些智能手機中已經(jīng)引入了增強虛擬現(xiàn)實技術。所以，硅光子技術的另一個潛在大規(guī)模應用是通過智能手表和植入式醫(yī)療設備等可穿戴設備對人體進行健康測量，包括心率、血氧飽和度以及水合程度。

向集成激光器轉變

就像電路中的電壓電源一樣，激光器是硅光子電路的光源。目前，由于材料的間接帶隙，我們無法在硅材料中制造光源（或激光）。這就是為什么會使用磷化銦等材料來制造適用于電信及數(shù)據(jù)通信波長的半導體激光器。 OpenLight等公司已經(jīng)開發(fā)出了多項技術，可將磷化銦集成到硅光子芯片中，用來制造驅動光子電路的集成激光器、調制器和檢測器。此外，同一系統(tǒng)中可以使用多個波長略有不同的激光器，從而進一步擴展功能。以前，開發(fā)者們比較擔心混合連接的激光裸片的可靠性，但集成激光器解決了這一擔憂，它提高了可靠性，讓開發(fā)者們能夠開發(fā)需要多個激光器或放大截面的應用。此外，散熱問題也不容小覷，因為激光器會產(chǎn)生熱量，因此在設計電路和封裝時需要把散熱考慮在內。 硅光子技術將會帶來巨大的技術和經(jīng)濟價值，目前硅光子產(chǎn)業(yè)才剛剛起步。光接口（I/O）離核心芯片越近（通過2.5D/3D異構集成來實現(xiàn)），通信的代價就越小，因此硅光子技術非常適合高性能計算和人工智能應用。無論硅光子技術的未來發(fā)展如何，新思科技都會在此領域不斷投資和創(chuàng)新。

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