矽光子時代的「隱身」英雄

作者 : 邵樂峰,EE Times China

連接、感測和運算是矽光子最主要的三大應用領域。其中,發展最成熟的是包含資料中心互連收發器在內的連接領域,涉及資料中心、高性能資料交換、長距離互連、5G基礎設施等多個熱門產業…

據Yole Développement估計,矽光子(Silicon Photonics)模組市場將從2018年的約4.55億美元成長到2024年的約40億美元,年複合成長率達44.5%。而LightCouting的資料則顯示,到2024年,矽光子模組市場市值將達65億美元,佔比高達60%,而在2020年,這一數字僅為3.3%。

 

2017~2023年全球光模組市場規模及結構預測。

(來源:LightCounting)

 

連接、感測和運算是矽光子最主要的三大應用領域。其中,發展最成熟的是包含資料中心互連(DCI)收發器在內的連接領域,涉及資料中心、高效能資料交換、長距離互連、5G基礎設施等多個熱門產業。

 

 

以超大型資料中心為例,根據Equnix的資料,2017年-2021年全球網際網路頻寬容量的年複合成長率達到了48%,2020年開始正式進入400G時代,並可望於2022年進入800G時代。屆時,將有數百萬個400GbE+的矽光子收發器與數十萬台伺服器互連,並將透過新型低延遲的DCI架構擴展人工智慧(AI)的邊緣,提升高性能運算的運算力。

得益於矽光子技術對提高網路設備的密度和能效帶來至關重要的作用,到2024年,矽光子收發器(包括基於III-V化合物半導體和矽光子的模組)將可望佔據40億美元市場的大部分,年複合成長率高達44.5%。

而在高性能運算領域,受限於「I/O功耗牆」,運算資源正在快速接近電氣性能的物理極限,使得「從電氣I/O遷移到光互連I/O」的呼聲日益高漲,因為只有矽光子技術能夠在片上互連、片間互連應用中實現Pb/s量級的傳輸速率。

5G核心骨幹網中的情形也大抵如此。由於5G網路接入層介面速率已經從6G/10G提升至25G;匯聚層介面速率從25G/50G提升至50G/100G;核心層介面速率從100G/200G提升至200G/400G,逐步導入矽光子子技術,對確保實現高速度大容量的資料傳輸至關重要。

「豪門盛宴」的背後

鑒於矽光子技術能夠為終端使用者帶來諸多益處,許多設備製造商,如阿里巴巴、騰訊、華為以及其他資料服務領域的廠商紛紛入局。但你可能有所不知,如果沒有以下這家公司,這場頂級玩家之間的「豪門盛宴」,可能不會像如今這樣氣勢恢宏。

它,就是Soitec。該公司基於SOI技術研發的矽光子基板Photonics-SOI,正成為助力「破局」矽光子時代的一把利器。

Soitec全球業務部光子材料專家Corrado Sciancalepore日前接受《電子工程專輯》中國版專訪時表示,Photonics-SOI基板具備原子級平滑的矽晶體層,可使光在一定的波長範圍內透過亞微米級的光波導。如果用更形象的語言描述,就是在紅外線波長(>1.1µm)下,晶體矽會變為透明,設計人員可以對這一薄層上進行構圖,以獲得亞微米級的光波導,而上覆層和下覆層的氧化物則提供了強大的光學限制,可在極小的尺寸上傳導光在晶片上的傳播。

SOI材料的高折射率對比度可以將光學收發器內的所有結構都整合在一顆晶片上,例如雷射整合、輸入/輸出(I/O)耦合器、高速調變器、光電檢測器和波長複用器,從而在賦能矽光子元件高效率、低延遲、高可擴展性的大批量資料傳輸的同時,大幅降低元件整體尺寸和功耗,達到節約成本的目的。同時,使用矽光子時,頻寬更大的晶片靈活度也更高。例如和傳統方案相比,Photonics-SOI可以更輕易地在改變頻寬的時候加寬光頻。

 

 

從下圖可以看出,在SOI的結構中,氧化埋層必不可少。如果沒有氧化埋層,就無法對光波導中的光線進行很好的隔離、反射和控制,也無法實現矽光子。也就是說,當把光學I/O整合在一起時,它就不再只涉及光學,還會涉及CMOS驅動控制器,要把這些電阻、控制電路、光學都整合在一起,SOI就是必須的。官方資料顯示,Soitec可為矽光子領域的客戶提供200mm和300mm兩種規格的Photonics-SOI產品,其氧化埋層厚度約為0.6-2µm,頂矽厚度約為0.1-0.5µm。

 

 

最後,由於需要將光學技術應用於核心電子設備,SOI功能經過了深度的最佳化,超越了標準可插拔收發器的要求。利用圍繞CMOS高要求處理器的光學小晶片,實現矽光子子與矽電子的單片共整合(co-integration)。

「選擇矽光子的理由主要是因為它具備CMOS和光學的雙重優勢。」Corrado指出,CMOS技術具有高密度、低成本、高產能、生態系統成熟等特點,這些特點既可以進行晶片化的整合,也便於進行邏輯功能的整合;而光學元件功耗低、抗噪性強、頻寬高,可以將眾多光譜整合至同一晶片,加之整個光纖系統非常成熟的基礎設施,透過SOI技術將矽光子和CMOS的優勢整合在一起,是一件「非常自然的事情」。

如前文所述,從市場趨勢的角度分析,100G可插拔式收發器當前已經大規模量產,從2021年開始,400G可插拔收發器逐漸在市場上崛起,也即將進入大量生產的階段。這揭示了矽光子元件未來的兩大趨勢:共同封裝與晶片整合。前者是透過TSV封裝的形式,將CMOS晶片與光學晶片整合;後者則是完全形成單晶片解決方案,不再需要任何銅線連接,主要應用於光學的輸入和輸出。

在被問及兩大趨勢有可能出現的時間點時,Corrado回應,他認為2025年市場上會開始推廣採用共同封裝技術的矽光子元件,2026年實現量產;2027年左右完成整合,成為單晶片,2029年實現量產。但他也提醒業界,這一判斷並不意味著共封裝光學在2025年就會成為產業主流,那時的主流方案可能還會是400G可插入式收發器。

 

 

比髮絲還細的銅線成為了制約矽光子元件發展的瓶頸。目前,超過200G的銅線傳輸技術仍然難有突破,儘管一些資料交換中心供應商和生態系統裡的主要玩家,比如博通(Broadcom)、英特爾(Intel)、Facebook和微軟(Microsoft)都已經公開發佈了他們在共同封裝和高度整合矽光子領域的研發進程,但總體來看,CMOS的整合仍然是成本居高不下的主要原因。原因在於當與CMOS元件進行整合時,整體開發製程需要與電子元件、電子元件的開發同步,導致市場初期需求量少、產量低、成本高,隨著技術的普及、產品的接受度和製程成熟度的提高,產品的合格率會上升,成本也會進一步下降。

蓄勢待發的消費醫療保健市場

除了資料中心,矽光子技術還能廣泛應用於消費醫療保健市場,這一點可能出乎很多人的意料。根據市場研究公司Yole Développement的預測,在2026年前,穿戴式醫療裝置的市場預計將以兩位數的年複合成長率成長。確切地說,2024年穿戴式裝置總市場規模預計將超過350億美元,同比成長27%。

 

 

在包括基於光子學、MEMS和電化學FET等眾多生物感測器技術的激烈競爭當中,針對醫療保健監測的光學技術之所以能脫穎而出,源於光可以照射到組織和血管上以監測、檢測和量化生物標記。因此光子學可以賦能無創醫療監測解決方案,用於低成本、小尺寸的醫療設備和針對消費電子市場的穿戴式裝置。

更具體地說,在SOI材料平台上製造的矽光子IC利用了高度成熟的CMOS技術生態系統。相對先進的加工和封裝技術可以基於關鍵生物標記的光學讀出實現晶片實驗室(lab-on-a-chip)生物感測系統的整合。

 

 

與應用於資料中心的矽光子元件原理類似,SOI技術採用創新的Smart Cut製程,透過堆疊超薄(從10奈米到幾微米)且極其均勻的矽晶體層實現精良晶圓的開發,這是傳統微電子技術無法實現的。此外,設計人員還可以對這一薄層進行構圖以獲得亞微米級的光波導,而氧化埋層則提供了強大的光學限制,可以在極小尺寸內實現晶片上的光路由。

值得注意的是,從基礎獨立設備到複雜的電路,SOI平台的高折射率對比度均允許其在小型封裝中實現高階光學功能。諸如雷射源、分束器、光譜儀、光電探測器和波長複用器等基礎構件,可以輕鬆實現在同一片SOI上進行單片製造,從而提供具有先進功能的完全整合光學系統。

Corrado表示,傳統解決方案依賴昂貴且異質的離散多元件組裝,例如基於III-V族氮化物半導體的LED、雷射和光電探測器。相比較而言,晶片級光學感測優勢極為顯著。而且,先進的半導體微加工技術可以實現晶片實驗室元件的最小化。這些進步使矽光子生物感測器在醫療診斷方面取得了重大進展。

而SOI光子學將繼續為之發展做出貢獻,它為結合了干涉儀、布拉格光閘(Fiber Bragg Grating,FBG)、微腔和基於光子晶體的波導感測器的微流體學和光譜生物感測技術提供支援,助力其發展。SOI驅動的光子學平台還支持廣泛的感測機制,為基於無標記檢測的真實生物標記提供分析物檢查。此外,晶片實驗室光子感測平台還可以實現光學設備、微流體傳輸通道和讀出設備的單片整合。

如果專就無創光譜生物感測而言,晶體矽在短波紅外線線(>1.2µm)下會變得透明,它可以解析從近紅外線光到遠紅外線光的光譜和光頻資源,並且可以透過改變光譜和頻率達到廣泛的生物標記測量。這就好比在監測體內酒精含量的同時還能監測血壓、心跳和其他體徵,而使用獨立元件的傳統技術就無法達到所需光譜的廣度。這實際上將生物感測的能力擴展到了更大範圍的生物標記,遠遠超越了目前消費穿戴式裝置中用於基本心率或血氧濃度監測的可見光和近紅外線光。

另一方面,針對醫療和消費類電子終端市場的持續醫療保健監測對低成本、可工業擴展光學解決方案的需求持續成長。SOI矽光子解決方案可通過皮膚實現精確、無創的光學讀出和關鍵生物標記監測。而且,它能夠結合健康追蹤和基本醫療保健監測功能,例如測量心率、血氧和血糖濃度,以及更先進的臨床診斷和癌症預防篩查工具。

在SOI上應用光子學的關鍵優勢之一是,它能夠將數十或數百個不同的波長複用到一個矽光子電路中,透過無創吸收或反射光譜技術在大光譜範圍內對廣泛的生物標記進行監測。最後,利用CMOS製程製造矽光子生物感測產品,SOI系統單晶片封裝展示出了實現低成本、大批量、可攜式生物感測平台產業化的潛力。

本文原刊登於EE Times China網站

 

 

 

 

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