隨著新的制造技術(shù)和設(shè)計(jì)工具的出現(xiàn)，硅光子學(xué)的帶寬、延遲和能效優(yōu)勢(shì)與提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用和服務(wù)更加接近了。研究人員正在追求多種部署路徑，具體應(yīng)用也許決定了如何最好地利用光來(lái)連接芯片組件和計(jì)算平臺(tái)。

無(wú)論你是在關(guān)注數(shù)據(jù)中心架構(gòu)、5G基礎(chǔ)設(shè)施、汽車(chē)駕駛輔助或醫(yī)療診斷，遲早都會(huì)有一場(chǎng)關(guān)于革命性新技術(shù)的討論。而其中很可能會(huì)包括“硅光子學(xué)”。那么，究竟什么是硅光子學(xué)，為什么它在如此多樣的應(yīng)用中受到普遍關(guān)注呢？

對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，光子學(xué)僅僅意味著對(duì)光子的研究。但加上硅這個(gè)詞，含義就相當(dāng)不同了。粗略地說(shuō)，硅光子學(xué)指的是使用接近傳統(tǒng)的IC晶圓加工來(lái)制造操縱光的結(jié)構(gòu)，以傳輸或處理信息。但這主要是出于市場(chǎng)宣傳的方便，這種描述卻不太精確。并非所有的結(jié)構(gòu)都是由硅制成的，而且“光子學(xué)”不一定是指光的顆粒性質(zhì)，選擇這個(gè)詞更可能是因?yàn)樗?tīng)起來(lái)像電子。

這個(gè)定義蘊(yùn)含著很多的希望。利用光來(lái)傳輸信息（就像通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域那樣）或處理信息（還在研究階段），在速度和能效方面比電子方法有很大的優(yōu)勢(shì)。將其芯片化，就有可能使光子學(xué)共享與電子IC相同的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镮C產(chǎn)業(yè)早已形成了巨大規(guī)模和產(chǎn)業(yè)成熟度。

物理學(xué)的基礎(chǔ)

這些美好前景建立在硅的一些重要物理特性之上。首先，盡管硅可以很好地反射可見(jiàn)光，但它對(duì)一些紅外光是透明的。這使得微小的光波導(dǎo)成為可能，它可以在芯片上傳輸光束，就像金屬連線傳輸電流一樣。但光波導(dǎo)可以更快、更有效。

第二，在硅中，光子和電場(chǎng)有時(shí)可以相互作用。光可以刺激電流，使光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)。而電場(chǎng)可以改變硅的光學(xué)特性，使電子信號(hào)可以控制光學(xué)開(kāi)關(guān)和調(diào)制器。

僅憑這些元件加上一些無(wú)源元件，如光柵，設(shè)計(jì)者就可以把整個(gè)簡(jiǎn)單的光子子系統(tǒng)放在一個(gè)硅芯片上，這一點(diǎn)很有吸引力。在現(xiàn)實(shí)中，這個(gè)過(guò)程可能需要一些先進(jìn)數(shù)字IC通常不使用的材料，但這些都不是制造的大障礙。

但仍然缺少兩種重要的組件：激光光源和光放大器。它們的缺失是因?yàn)槲锢韺W(xué)的原因。晶體硅中電子的行為使得電子在釋放能量時(shí)很難發(fā)射出光子，因此幾乎不可能用晶圓上的單晶硅制造出好的激光器或光學(xué)放大器。但如果沒(méi)有光源，且在許多情況下，如果沒(méi)有光放大器，應(yīng)用就無(wú)法進(jìn)行。

尋找光子研究人員在尋找將激光器和放大器引入硅光子設(shè)備的方法時(shí)，主要遵循三種途徑。最古老的方法是混合集成，一些供應(yīng)商仍然提倡這種方法。你在所謂的III/V材料中制造激光器和光放大器，如磷化銦（indium phosphide）或砷化鎵（gallium arsenide）。這些材料確實(shí)能讓電子輕易地發(fā)出光子。然后通過(guò)光纖將這些組件連接到硅光子芯片上。這種方法是成熟的，但它非常占空間，增加了一個(gè)或多個(gè)額外die的成本。最嚴(yán)重的是，想要低成本地將光纖末端對(duì)準(zhǔn)die上的光端口并將其固定在那里仍存在實(shí)際問(wèn)題。目前仍在尋找解決方案，例如，涉及可調(diào)節(jié)的連接器。

第二種方法是異構(gòu)集成。在這里，工程師們?cè)诩庸み^(guò)程中把III/V材料貼片機(jī)械地粘合到硅片上。然后，在加工過(guò)程中，他們制造激光器、光放大器和其他需要在III/V材料中發(fā)射光子的設(shè)備，同時(shí)在硅中制造其他光子元件。這可以實(shí)現(xiàn)更高的密度（例如，可以采用幾十個(gè)微小的激光器），且?guī)缀跸私M件之間的光耦合問(wèn)題。你只需將激光器和放大器制作在準(zhǔn)確的位置，以便在芯片上使用硅波導(dǎo)。但這意味著需要更復(fù)雜的晶圓加工，且整個(gè)子系統(tǒng)依賴于激光器的可靠性，在過(guò)去是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，但今天幾乎已經(jīng)解決了。Intel和HP等公司正在采用異構(gòu)集成的方式來(lái)生產(chǎn)光收發(fā)器，在某些情況下可以量產(chǎn)。

硅微孔的按比例渲染。有源區(qū)被摻入p型和n型摻雜物，并與后端金屬接觸，形成一個(gè)電控的光調(diào)制器。（圖片：Ayar Labs）

還有第三種方法。研究人員正在追求單片式集成：在硅片的晶格上外延生長(zhǎng)晶體III/V材料。這種方案將比把材料薄片粘在晶圓的表面上有優(yōu)勢(shì)。但事實(shí)證明，處理這兩種晶體之間的結(jié)構(gòu)差異非常困難，導(dǎo)致了良率和故障率的問(wèn)題。這項(xiàng)工作仍在繼續(xù)。

對(duì)于未來(lái)的發(fā)展方向有兩派觀點(diǎn)。一種也許是更保守的，認(rèn)為在微電子學(xué)的歷史上，單片集成總是最終勝出，提供更高的密度、更低的功耗且最終的成本更低。

另一派則指出，即使是今天的微電子學(xué)也正在從巨大的全單片解決方案轉(zhuǎn)向使用先進(jìn)的多片封裝技術(shù)的混合集成，如2.5D或真正的3D多片封裝。這種觀點(diǎn)認(rèn)為，未來(lái)會(huì)有許多芯片，每一個(gè)都有自己的專(zhuān)門(mén)技術(shù)，在一個(gè)復(fù)雜的、高度工程化的封裝中緊密耦合在一起。

將這一觀點(diǎn)稍加概括，包括光子技術(shù)（不一定只基于硅）構(gòu)成該封裝中的一些chiplet。取代芯片之間的高帶寬、低延遲連接的電氣標(biāo)準(zhǔn)，光子學(xué)將需要高密度、容易對(duì)齊的波導(dǎo)互連標(biāo)準(zhǔn)，也許是在光學(xué)基板或類(lèi)似于Intel電子硅橋的某種硅橋。也有可能簡(jiǎn)單地通過(guò)芯片之間的開(kāi)放空間進(jìn)行光束照射。

現(xiàn)在說(shuō)哪一派的思想會(huì)最終勝出還為時(shí)過(guò)早。

新興的應(yīng)用

目前，硅光子學(xué)在用于通信和網(wǎng)絡(luò)的電-光傳感器領(lǐng)域已得到廣泛認(rèn)可。但不同需求的其它應(yīng)用也正在出現(xiàn)。例如，高性能電路卡（特別是數(shù)據(jù)中心服務(wù)器卡）的設(shè)計(jì)者很想其電路板芯片之間有巨大帶寬、低延遲和低功耗的光互連。但對(duì)于這種應(yīng)用，你需要在集成電路封裝的邊緣安裝光纖或波導(dǎo)終端。而且，你需要讓電光傳感器體積小、高效、低延遲，還要很便宜，這才能讓許多電光傳感器組合出現(xiàn)在電路板上的每個(gè)芯片上或旁邊。所有這些在技術(shù)上都是可行的，但我們還沒(méi)有做到。

我們還可以把目光投向光子學(xué)以外的地方，將其作為一種純粹的數(shù)據(jù)移動(dòng)手段。比如說(shuō)ADAS和LiDAR。今天的LiDAR系統(tǒng)使用激光脈沖，以機(jī)械方式在一個(gè)FoV中掃描。他們測(cè)量返回光束的ToF來(lái)計(jì)算距離。

專(zhuān)家們說(shuō)，下一個(gè)重大進(jìn)步將不是脈沖，而是FMCW LiDAR，在這種LiDAR中，光束是連續(xù)的，在一定的頻率范圍內(nèi)掃描。這樣的光束可以讓ToF傳感器和光譜儀同時(shí)測(cè)量一個(gè)物體的距離和速度。

這在今天的光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上是可能的，但硅光子學(xué)承諾提供所有的組件，從激光到固態(tài)掃描系統(tǒng)到光譜儀，在一個(gè)微小的量產(chǎn)封裝中實(shí)現(xiàn)。這并不是一個(gè)空洞的承諾，Intel/Mobileye在CES 2021上展示了這樣一個(gè)封裝的原型。

在醫(yī)療診斷領(lǐng)域，類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)也在不斷成熟。歐洲研究聯(lián)盟Imec已經(jīng)展示了一些使用光作為傳感裝置的診斷儀器。在一個(gè)案例中，研究人員將抗體與環(huán)形諧振器（一種光-電轉(zhuǎn)換器）結(jié)合。當(dāng)抗體遇到其特定的抗原時(shí)，會(huì)與之結(jié)合，稍微改變環(huán)形諧振器的諧振頻率，從而使光子電路能夠檢測(cè)到樣品中存在的抗原。

在其他情況下，研究人員能夠使用更傳統(tǒng)的吸收或拉曼光譜來(lái)檢測(cè)溶液中的特定有機(jī)分子，如血液。同樣，產(chǎn)生相對(duì)寬光譜的光和執(zhí)行光譜學(xué)的光學(xué)元件是在光子學(xué)中實(shí)現(xiàn)的。有趣的是，在這些情況下，僅僅一個(gè)窄帶的紅外光是不夠的。研究人員不得不用對(duì)可見(jiàn)光透明的不同材料制成的波導(dǎo)取代他們的硅光波導(dǎo)。

在一個(gè)完全不同的例子中，研究人員使用了一個(gè)激光干涉儀系統(tǒng)（同樣是在硅光子學(xué)中實(shí)現(xiàn)的）來(lái)測(cè)量受試者的皮膚在其脈搏的壓力波通過(guò)動(dòng)脈時(shí)的起伏程度。從這個(gè)數(shù)據(jù)中，研究人員能夠確定壓力波的傳播速度，這使他們能夠估計(jì)動(dòng)脈壁的硬度和閉塞程度（這是心血管疾病的一個(gè)重要指標(biāo)）。因此，醫(yī)生可以在幾分鐘內(nèi)無(wú)創(chuàng)地對(duì)心血管風(fēng)險(xiǎn)作出準(zhǔn)確診斷。

快速、低功耗的計(jì)算

這些例子表明，光子學(xué)不僅僅是移動(dòng)數(shù)據(jù)，而是進(jìn)行測(cè)量，并在一定程度上分析結(jié)果。一些研究人員認(rèn)為這是該領(lǐng)域發(fā)展中最重要一步的開(kāi)始。他們指出，今天在計(jì)算中使用的許多算法都包含可以在光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)的計(jì)算需求內(nèi)核。在某些情況下，還有可能使用一束激光的單一脈沖取代數(shù)百萬(wàn)條機(jī)器指令。

提高計(jì)算速度和減少功耗的前景是巨大的。而且已經(jīng)有了一些關(guān)于這個(gè)概念的簡(jiǎn)單演示。例如，賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員已經(jīng)在光學(xué)中構(gòu)建了一個(gè)微小的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，展示了其識(shí)別印刷字符的能力。原則上，云計(jì)算和嵌入式計(jì)算都可以利用硅光子學(xué)中實(shí)現(xiàn)的算法加速器，就像今天這些領(lǐng)域依靠硅電子加速器來(lái)加速AI、視覺(jué)處理和數(shù)學(xué)算法一樣。

邁向基礎(chǔ)設(shè)施

目前正在進(jìn)行的工作需要將大量不同的光學(xué)設(shè)備，包括激光器、波導(dǎo)、放大器、諧振探測(cè)器、光柵和更多的設(shè)備集成到硅片上或靠近硅片的地方。

對(duì)于一個(gè)與半導(dǎo)體工藝工程師合作的光學(xué)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這是很有吸引力的事情。為了使這項(xiàng)工作對(duì)單純的人類(lèi)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)切實(shí)可行，硅光子學(xué)開(kāi)發(fā)者需要一個(gè)像IC設(shè)計(jì)師那樣的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)施：組件庫(kù)、布局圖和模擬工具，以及準(zhǔn)備提交給fab的設(shè)計(jì)所需的工藝信息。

這樣的設(shè)計(jì)環(huán)境已經(jīng)在進(jìn)行中了。例如，Synopsys已經(jīng)宣布了類(lèi)似的工具鏈和一些硅光子foundry工藝的設(shè)計(jì)套件，并聲稱有1500多個(gè)流片。其他公司正在Synopsys工具的基礎(chǔ)上創(chuàng)建相當(dāng)于光子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)平臺(tái)。

隨著光子元件的基礎(chǔ)物理學(xué)越來(lái)越成熟，封裝技術(shù)也在迎接挑戰(zhàn)，越來(lái)越多的工藝選擇和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，硅光子學(xué)看起來(lái)越來(lái)越有能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了它目前在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的地位。

考慮到廉價(jià)的，甚至是一次性的硅光子器件的最終前景，它們可以比在硅上運(yùn)行的軟件更快、以更低的功耗進(jìn)行測(cè)量和執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算，不斷增長(zhǎng)的能力可能影響到的不僅是微電子，可能還會(huì)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。

審核編輯：黃飛