硅基光電子材料和市場(chǎng)展望

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
近年來，人工智能（AI）和云計(jì)算的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)推動(dòng)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(zhǎng)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(shí)、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]。
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硅基光電子的興起
硅基光電子將光通信的優(yōu)勢(shì)與硅基半導(dǎo)體制造的可擴(kuò)展性和成本效益相結(jié)合。通過將光學(xué)組件集成到硅芯片上，這項(xiàng)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(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。

% T# R) t5 i- J4 f1 j1 F; D  p$ n+ g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(shì)。

數(shù)據(jù)中心不斷增長(zhǎng)的帶寬需求是推動(dòng)硅基光電子技術(shù)采用的主要驅(qū)動(dòng)力之一。隨著我們向400G、800G甚至1.6T傳輸速度邁進(jìn)，傳統(tǒng)銅互連由于信號(hào)完整性問題和功耗問題而難以跟上。
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硅基光電子的關(guān)鍵組件
/ |7 C4 k( t9 j& q  |要理解硅基光電子，了解其關(guān)鍵組件非常重要：

+ e7 @: t9 S8 C3 |" L1 }/ u1. 激光器：光源是任何光學(xué)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(dǎo)體材料制成，如磷化銦（InP）或砷化鎵（GaAs）。
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: L0 @/ M( _' b: I3 S# W2 Q# r4 d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(yīng)用。

% {1 B$ Y: M, I% t2. 調(diào)制器：這些器件將數(shù)據(jù)編碼到光信號(hào)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(diǎn)。
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3. 波導(dǎo)：這些結(jié)構(gòu)在硅芯片中引導(dǎo)光，充當(dāng)光線路的"導(dǎo)線"。

4. 光電探測(cè)器：這些組件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)以進(jìn)行處理。

' i) p- E  C/ o4 [. t5. 復(fù)用器/解復(fù)用器：這些器件結(jié)合或分離多個(gè)波長(zhǎng)的光，實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用（WDM）以增加數(shù)據(jù)容量。

硅絕緣體（SOI）晶圓
& v0 d* c+ f# g$ \4 A& Y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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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。
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頂層硅用于創(chuàng)建波導(dǎo)和其他光學(xué)結(jié)構(gòu)，而埋氧化層提供光學(xué)隔離。硅和二氧化硅之間的高折射率對(duì)比使得光能有效地被限制和操縱。

$ G- i3 R  R. F! {' Z" Q0 C集成挑戰(zhàn)和解決方案
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(gè)問題，已經(jīng)開發(fā)了幾種方法：
1. 芯片到晶圓鍵合
2. 倒裝芯片集成
2 L7 Y0 O" [- a9 `, A3. 轉(zhuǎn)印技術(shù)
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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)。
. Y8 k* ^$ u$ e
. Z! J. g. `5 C每種方法在可制造性、成本和性能方面都有優(yōu)缺點(diǎn)。正在進(jìn)行的研究旨在改進(jìn)這些集成技術(shù)，并開發(fā)新方法以實(shí)現(xiàn)無縫的光電集成。

; X8 C) ?( C1 k3 e, |' I數(shù)據(jù)中心互連的演變
% N0 S  ?, Y& g7 t- r4 ?隨著數(shù)據(jù)中心不斷發(fā)展以滿足不斷增長(zhǎng)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：
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可插拔光學(xué)：當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)，光收發(fā)器可以輕松插入或從交換機(jī)和服務(wù)器中移除。

板載光學(xué)（OBO）：光學(xué)組件直接安裝在PCB上，減少傳輸損耗。

近封裝光學(xué)（NPO）：光學(xué)引擎放置在交換機(jī)ASIC附近，進(jìn)一步縮短互連距離。

光電共封裝（CPO）：光學(xué)組件與交換機(jī)ASIC集成在同一封裝中，最大限度地減少電互連長(zhǎng)度。

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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(xué)到光電共封裝（CPO）。
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# P* f6 a1 G  S/ o% K向CPO和其他集成解決方案的趨勢(shì)是由下一代數(shù)據(jù)中心減少功耗、改善信號(hào)完整性和增加帶寬密度的需求所驅(qū)動(dòng)的。

市場(chǎng)趨勢(shì)和未來展望
6 z  p( Z3 C6 W  K硅基光電子市場(chǎng)在未來幾年將迎來顯著增長(zhǎng)。根據(jù)PDF中提供的數(shù)據(jù)：

" ^6 T; x/ ^, y, L, k  I$ ?圖7展示了2022年至2027年硅基光電子芯片應(yīng)用的市場(chǎng)預(yù)測(cè)，顯示各個(gè)領(lǐng)域的強(qiáng)勁增長(zhǎng)。

1 B; |6 @# `" S( x* z- W主要增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)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(xué)I/O

用于傳感應(yīng)用的激光雷達(dá)和光纖陀螺儀

消費(fèi)級(jí)生物傳感器和醫(yī)療設(shè)備
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1 ~; l, a1 ^+ `/ z# m0 S隨著技術(shù)的成熟，我們可以預(yù)期硅基光電子技術(shù)將擴(kuò)展到數(shù)據(jù)中心應(yīng)用之外的領(lǐng)域，如高性能計(jì)算、汽車和消費(fèi)電子。

- |6 E5 j4 @8 l- X- T/ b行業(yè)格局和供應(yīng)鏈
* }& b" d) m8 M4 G" U9 Y0 u4 |/ ], {硅基光電子行業(yè)目前由少數(shù)幾家主要公司主導(dǎo)，主要來自美國(guó)。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(chǎng)。

5 S" x* d: O$ l8 }1 R1 Z3 c+ q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(chǎng)份額，突出了英特爾和思科等主要參與者的主導(dǎo)地位。
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: r8 b& e! s# d: ]然而，這一格局正在快速演變，新進(jìn)入者和合作正在重塑供應(yīng)鏈。晶圓廠、設(shè)計(jì)公司和封裝公司都在爭(zhēng)奪不斷增長(zhǎng)的硅基光電子市場(chǎng)份額。
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圖9說明了硅基光電子供應(yīng)鏈，展示了設(shè)計(jì)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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, X5 Y7 U1 I3 S$ B結(jié)論
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(shí)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(yù)期在數(shù)據(jù)中心及其他領(lǐng)域?qū)�廣泛采用這項(xiàng)技術(shù)。

主要要點(diǎn)：

硅基光電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在硅芯片上進(jìn)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(gè)挑戰(zhàn)，但解決方案正在不斷改進(jìn)。

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(chǎng)預(yù)計(jì)將快速增長(zhǎng)，由數(shù)據(jù)中心和新興應(yīng)用驅(qū)動(dòng)。

跨供應(yīng)鏈的合作對(duì)推進(jìn)硅基光電子技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要。
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5 ?- R1 ?+ X3 G8 [% Z/ N參考文獻(xiàn)
[1] C. Chang, "Silicon Photonics Technologies, Materials and Market," Industrial Technology Research Institute, May 29, 2024. [Online presentation].
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