硅光，行业颠覆者or推动者？( 二 ) _芯片

硅光的前路漫漫，还需要依赖于 CMOS 兼容工艺，实现大量生产制造，分摊成本，最终在晶圆级制造，封装和测试技术上有竞争力，成为“后摩尔时代”的领军技术力量。
图 5：源自
在World 上海 2019 的会议上，来自亨通洛克利的陈奔博士也坦言了目前硅光产业化的重重挑战：
该表源自2019World上海陈奔博士演讲稿
可能这时候就会有小伙伴想问：
“既然都在做 100G、400G 产品，硅基光产品和分立式、集成式的有什么区别呢？既然面临如此之多的挑战，为什么还要投资在硅光方向呢？”
在回答这个问题之前，我们还是要一起复习一下硅基光是什么。在这里，我们直接引用北京大学周治平教授的定义：
研究和开发以光子和电子为信息载体的硅基大规模集成技术。其核心内容就是研究如何将光子器件“小型化”、“硅片化”并与纳米电子器件相集成，即利用硅或与硅兼容的其他材料，应用硅工艺，在同一硅衬底上同时制作若干微纳量级，以光子和/或电子为载体的信息功能器件，形成一个完整的具有综合功能的新型大规模集成芯片。
——周治平《硅基光电子学》
可以看出硅基光的几个重点也是采用这项技术的优势：
■ 光信号在传输过程中衰减小且传输带宽高，可得到超快速率和高抗干扰特性传输信号
■ 利用已有的微电子技术在大规模 CMOS 集成、低能耗、低成本等方面的优势
■ 在硅芯片上集成光传输通道的工艺难度相对较低
■ 以硅材料为衬底，实现硅光，电，其他材料（主要指 III-V）等的 CMOS 集成
然后回到小伙伴们一开始的疑问，为什么业界都在做 100G、400G 产品了，还非要做基于硅基光的 100G，400G 产品？
究其根本原因，还是因为硅光技术的低成本、低功耗、高集成度、高传输带宽的优势。
从上图的市场趋势图也可以看到，分立器件的份额持平而集成器件的份额和硅光产品的份额都呈增长趋势。由此可见把越来越多的器件集成在一起是大势所趋，而大家都看好硅光市场的原因有以下三点：
1.光模块架构主要由光源、调制器、光纤/波导、探测器等几部分组成，传统工艺需要依次封装电芯片、光芯片、透镜、对准组件、光纤端面等器件，最终实现将调制器、接收器以及无源光学器件等高度集成。相比传统分立式器件，硅光技术下的光模块基于 CMOS 制造工艺，在硅基底上利用蚀刻工艺可以快速加工，使得体积大幅减小，材料成本、芯片成本、封装成本进一步优化，同时，硅光技术可以通过晶圆测试等方法进行批量测试，测试效率显著提升。
图 6：源自
2.传统的光通信模块主要是由 III-V 族半导体芯片、高速电路芯片、无源光组件及光纤封装而成。但随着晶体管尺寸不断变小，电互连面临诸多局限，业界发现摩尔定律不再适用，已经接近传统铜电路极限。数据中心内部及芯片层面的“光进铜退”成为必然。硅光，即采用激光束代替电子信号传输数据，将光学器件与电子元件整合在一个独立的微芯片中，在硅片上用光取代铜线作为信息传导介质，以提升芯片与芯片间的连接速度。3.大规模集成化对于成本和功耗的降低也是显而易见的。以 Intel 100G 短距离 PSM4 光模块为例，传统的 100G PSM4 方案中，使用了 4 个 25G 激光器分别调制 4 路信号经 4 根光纤传输 100G 信号，而Intel的硅光100G光模块高度集成了调制器和无源光路，只使用 1 个 25G 激光器，实现 4 路信号的调制和传输，非常具有成本优势。
图 7：源自Intel100G PSM4
这里重点要说的是硅是间接带隙半导体，很难成为光源材料，要使硅基集成光路产生光源，需要把 III-V 族和硅材料做异质集成。而这种将几种材料结合在一起的方式，既可以利用 III-V 材料实现片上有源功能，又可以利用硅基集成工艺的优势，所以硅光并不是单单指哦。