下一代硅光路线图

几位硅光大佬最近合作撰写了一篇文章，贴在了arXiv上。文章整理总结了当前硅光技术的技术难点与发展趋势，并展望了下一代硅光技术，高屋建瓴，非常值得一读， 原文链接https://arxiv.org/abs/2305.15820。站在大佬们的肩膀上，小豆芽这里整理下相关论点以及自己的一些思考，供大家参考。

硅光技术起源于1985年，Soref教授提出利用硅材料作为光波导介质。经过近40年的发展，无论是单器件的性能，包括调制器探测器带宽的提升、无源器件的持续优化，还是系统规模，从最初几个器件构成的小系统发展到几千甚至上万个光器件的大规模硅光芯片，器件数目已进入VLSI范畴，硅光技术已经日趋成熟，已经从实验室研究走向工程化产品，成功应用在通信、传感等领域。

(图片来自文献1)

从硅光工艺平台上来看，目前大部分硅光fab都提供单层或者双层SiN波导，由于SiN波导尺寸更大，其对波导加工误差的容忍度更高，更适合设计一些相位敏感的无源器件，例如Mux/DeMux。SiN波导传输损耗更低，非常适合较大尺寸光芯片内的光波导走线。此外由于SiN的折射率介于Si和SiO2之间，对光场的束缚能力比硅相对弱一些，基于SiN的edge coupler的模斑尺寸更大，与单模光纤的耦合损耗更低。

目前硅光调制器主要基于等离子体色散效应(plasma dispersion effect), 载流子浓度的变化引起波导折射率的变化，进而通过光学干涉结构引起光强的变化，由此将变化的电信号加载到光信号上。但是等离子体色散效应相对较弱，需要较大的驱动电压。大家一直致力于在硅基平台上引入新的材料，从而提供更好性能的调制器。以下是一些常见的电光材料总结，

（图片来自文献1）

基于GeSi的EAM调制器，有部分硅光foundry在做相关器件的研发，包括设计量子阱结构用于将工作波长拓展到O波段，但是其插损比较大，未来是否能商业化应用还不太明确。将III-V材料异质集成到Si上，Intel为此进行了多年的工艺开发，这条路可以走通。III-V材料不仅可以用于制作激光器、SOA，也可以用做调制器。该路线技术上是可行的，是非常有前景的解决方案之一，更多的难题是攻克与优化工艺。对于铌酸锂、BTO等材料，其电光调制基于Pockel效应，具有非常高的本征带宽，可能是高速光通信进一步提高速率的唯一技术选择。由于这些材料都不是CMOS工艺兼容的，如何在硅光fab里引入这些材料，并进行微纳结构的加工，是需要解决的难题。PCM(phase change material)和MEMS是两个低功耗的调制技术路线，其器件尺寸小且插损小，适用于对功耗要求比较苛刻的场景。整体而言，硅材料的电光调制效应较弱，不能完全满足高速光通信的需求，而这些新型材料的引入，更多的是需要克服工艺难题，十年磨一剑。PPA(Power, performance and area)和HVM(high volume manufacturing)是两个重要的评判标准。

由于硅材料自身无法发光，光源是硅光技术需要解决的首要问题。目前有以下几种解决方案。传统方法是片外的激光源通过空间光学(free space optics, 简称FSO)和光纤耦合的办法，FSO中包含透镜、隔离器等空间光学元件，如下图a所示。通过设计优化光芯片中的器件，减少其反射，使得光路中不再需要隔离器，激光器发出的光，通过棱镜入射到光栅耦合器处，如下图b所示，Luxtera正是采用的该方案。采用光子引线技术(photonic wire bonding)，在激光器芯片和硅光芯片间加工出一个三维聚合物波导，用于传输光信号，如下图c所示。将激光器芯片flip chip或者transfer print到硅光芯片的上，然后采用边缘耦合的方式将光信号耦入到硅光芯片中，如下图d所示。将III-V材料通过异质集成的方式加工到硅光芯片上，接着再对III-V材料进行刻蚀，形成激光器，如下图e所示，Intel采用的是该方案。一个比较长远的方案是，直接在硅基上外延生长III-V材料，形成量子点激光器，如下图f所示。

（图片来自文献1）

上述的六个激光器集成方案，各有优劣，下图是一些具体技术指标的详细对比。目前已经在产品中应用的方案，主要包括传统的FSO方案、基于FSO的2.5D混合集成和3D异质集成方案。目前各大硅光foundry正在积极推动混合集成和异质集成的方案。从未来发展需求来看，多波长光源具有很多优势。光梳(optical comb)光源是一个非常不错的发展方向，其尺寸比DFB激光器阵列小得多，虽然其输出光功率和信噪比不如DFB激光器阵列。光梳可能会在高带宽、大规模的硅光芯片扮演非常重要的角色，目前该技术还有很多问题亟待解决。

（图片来自文献1）

从系统层面上看，硅光芯片与电芯片是紧密结合、缺一不可的。电芯片为硅光芯片服务，提供控制信号、输入输出信号以及相关的电信号处理，其主要功能包括提供驱动信号(driver)、将探测器处收集到的电流信号转换为电压信号并进行放大(TIA)、提供偏置电压、控制与补偿信号等用于补偿温度和加工误差等对器件性能带来的影响。光芯片的优势在于传输损耗低、延迟小、信道容量大(利用多波长)。如果可以在光域直接对光信号进行操控或者处理，将会带来很多优势，这也是谷歌的OCS(OFC 2023：谷歌的MEMS光开关)带来数据中心革命的原因之一。

集成电路产业经过多年的发展，整个生态系统非常完善。相比较而言，硅光产业链仍然有很多不完善的地方。硅光芯片无法像电芯片那样，通过工艺节点的提升，提高系统的性能与集成度。对于电芯片产业，客户可以购买到第三方提供的IP用于自己的系统中。而当前的硅光产业，并没有相关的成熟第三方IP服务，硅光的IP服务商业上是否可行，也有待商榷。硅光公司更希望通过自己内部研发的IP，形成差异化与壁垒来保护自己。这一点与集成电路早期发展的历史比较相似。每家电芯片公司都是IDM模式。每一个硅光设计公司都希望有一些定制化的工艺，都希望去调整优化工艺参数，得到更好的器件性能。而硅光流片厂则更希望是形成一个统一的标准工艺，提供一个完善的PDK库给到不同需求的客户，而不是针对每一个客户都提供一套定制化的工艺线，带来资源与时间的浪费。另外目前的大部分硅光设计工作是对底层硅光器件的设计优化，这部分在电芯片行业是foundry的工作范畴。这一点未来是否会发生改变，犹未可知。也许未来，硅光设计的主要工作是利用foundry提供的PDK, 去进行系统层面的设计与优化。

光芯片与电芯片的混和集成(hybrid integration)主要方案如下图所示。比较常用的封装方案有wire-bonding，电芯片和光芯片并排放在PCB上，两者之间直接打线连接。也可以两者都flip-chip到interposer上，通过interposer中的金属层进行信号互联。PIC自己也可以充当interposer的角色, EIC倒装在PIC上，两者间通过bump进行信号互联，而PIC则通过wire-bonding与PCB互联。这两种方案都是比较成熟且商业化的方案，如下图a和b所示。由于光芯片规模与信号速率的不断提升，flip-chip+wire bonding方案无法满足大规模集成光路的需求。利用TSV(through silicon via)或者TOV(through oxide via)进行光电芯片的互联，成为一个重要的发展方向，如下图c和d所示，首先在硅光芯片中加工出TSV/TOV, 然后与倒装的EIC进行连接。相比于wire bonding和flip-chip, TSV/TOV的互联密度更高，电信号在垂直方向进行传输，寄生参数更小，可以支持更高的信号速率，此外TSV/TOV还可以解决大芯片的电源供电问题。对于单片集成方案(monolithic)，在同一个芯片内同时加工电学和光学器件，如下图f所示。大家一直诟病的是它的工艺节点较为落后，EIC的性能无法进一步提高。目前单片集成方案最为先进的硅光工艺是GlobalFoundries的45nm工艺平台。Monolithic的封装方案简单，电学器件天生就在光学器件附近，不需要通过复杂的混合集成。

（图片来自文献1）

上述的这几种光电芯片混合集成方案，它们的比较如下表所示。短期内这些封装方案将会同时共存，针对不同的应用场景选取合适的封装方案。

（表格来自文献1）

目前硅光芯片的主要应用还是数据中心的光收发器，其他的应用包括量子通信、量子计算、光子计算、微波滤波、激光雷达、陀螺仪、生物传感等。硅光光收发器包括传统的可插拔光模块，也包括CPO与Optical IO。对于硅光光收发器，需要进一步提高调制器的性能，降低功耗，将器件带宽提高到100GHz以上。高效率的大功率多波长激光器也是一个值得重点关注的发展方向。实现高增益、低噪声的TIA设计，也是一个主要的技术挑战。其它硅光应用的技术挑战如下表所示，这里不一一赘述了。

(表格来自文献1）

虽然经过近40年的发展，但是硅光技术仍然充满活力，方兴未艾，有许多需要解决的难点问题，也有一些共性的发展趋势。SiN波导与III-V集成是硅光工艺发展的两大趋势。如何进一步降低光信号的耦合损耗(激光器集成)，是大家一直比较关注的问题。小型化的多波长光源也是大家比较感兴趣的发展方向。与硅光芯片配合的电芯片也在持续优化中，光电联合仿真是一个必然的发展趋势。光电芯片的封装方案比较多元化，视实际需求而定。总体而言，硅光产业链日趋完善，光器件性能也在稳步提升，硅光芯片的应用也呈现多元化的发展趋势，多样化的应用场景也会反过来促进硅光技术的发展与推广。

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参考文献： 1. S. Shekhar, et.al., "Silicon Photonics - Roadmapping the Next Generation", arXiv 2305.15820(2023)