在過(guò)去五年中，傳感器的靈敏度和精確度提升了十倍，功耗、成本和尺寸下降了五分之一，未來(lái)十年，傳感器需要更復(fù)雜、更可靠、成本更低且具有高帶寬互聯(lián)功能，以應(yīng)對(duì)在可穿戴設(shè)備、人工智能、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域更加廣泛的應(yīng)用。

隨著晶體管 2D 擴(kuò)展速度的放緩和 2.5D/3D 封裝技術(shù)的成熟，利用集成光子學(xué)技術(shù)、在 CMOS 工廠制造并采用先進(jìn)集成電路封裝技術(shù)的光收發(fā)器和互連器件的開發(fā)開始成為一項(xiàng)更為重要的技術(shù)創(chuàng)新。與數(shù)據(jù)處理（計(jì)算）和存儲(chǔ)芯片共置于同一封裝內(nèi)的光收發(fā)器被稱為共封裝光學(xué)器件（CPO）。包含有源光子器件和相關(guān)光子電路的芯片稱為光子集成電路（PIC）。這些 PIC 將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并在封裝之間或封裝內(nèi)的計(jì)算核心與存儲(chǔ)器之間傳輸光域數(shù)據(jù)。

CPO 最重要的價(jià)值主張是提高帶寬密度和能效，而這兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)是由不斷增長(zhǎng)的計(jì)算能力和通信帶寬需求所驅(qū)動(dòng)的。這一需求尤其受到復(fù)雜的人工智能和 ML 加速器以及計(jì)算集群的快速增長(zhǎng)和實(shí)施的影響，這些加速器和集群正在推動(dòng)互連帶寬、能效和更低延遲的發(fā)展，從芯片級(jí)系統(tǒng)到由數(shù)千個(gè) GPU、CPU 和存儲(chǔ)器 IC 組成的大規(guī)模系統(tǒng)。

在共同封裝光收發(fā)器提高數(shù)據(jù)傳輸效率的同時(shí)，光傳感器和執(zhí)行器在數(shù)據(jù)收集和處理方面也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。這些傳感器和執(zhí)行器在電視、車頭燈、投影儀和 DNA 分析芯片等產(chǎn)品中，以及在數(shù)據(jù)傳感器和可穿戴式心率及氧氣傳感器的光學(xué)開關(guān)中都至關(guān)重要。其中許多傳感器都是采用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)制造的。MEMS 設(shè)備和制造技術(shù)還可用于調(diào)整、調(diào)制或調(diào)節(jié)可調(diào)濾波器、激光器和光纖等光學(xué)設(shè)備的排列，從而實(shí)現(xiàn)近紅外（NIR）材料分析掃描儀等新產(chǎn)品。

此外，微機(jī)電系統(tǒng)與專用集成電路的結(jié)合也在同時(shí)走向成熟，這將帶來(lái)前所未有的產(chǎn)品。傳感器的微型化推動(dòng)了遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居、智能城市、先進(jìn)制造設(shè)施、手持可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的快速發(fā)展，所有這些應(yīng)用都需要更復(fù)雜、更可靠、成本更低且具有高帶寬互連功能的傳感器。

未來(lái)十年的傳感器

手機(jī)經(jīng)濟(jì)主要受成本、尺寸、性能和帶寬的驅(qū)動(dòng)。強(qiáng)大的傳感器設(shè)計(jì)對(duì)手機(jī)的 GPS、陀螺儀、加速度計(jì)、壓力傳感器、磁力計(jì)、光學(xué)圖像穩(wěn)定器、麥克風(fēng)和指紋傳感的成功至關(guān)重要。在過(guò)去五年中，傳感器的靈敏度和精確度增長(zhǎng)了十倍，而功耗、成本和尺寸卻下降了五分之一。預(yù)計(jì)這些趨勢(shì)還將繼續(xù)。

物理和人工智能在設(shè)備計(jì)算中的融合使基于微機(jī)電系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加出色。這些傳感器的集成使導(dǎo)航定位、穩(wěn)定性控制、撞擊檢測(cè)、自適應(yīng)照明、圖像穩(wěn)定和牽引力控制等活動(dòng)得以無(wú)縫執(zhí)行。更好的傳感器性能意味著更高的信噪比（SNR）、更高的動(dòng)態(tài)范圍和亞毫瓦級(jí)的功耗。

還需要具有附加功能的傳感器。例如，需要帶隙小于硅（Si）、可工作于短波紅外（SWIR）的硅集成元件，以實(shí)現(xiàn)高分辨率、對(duì)眼睛安全的長(zhǎng)距離激光雷達(dá)（LiDAR）。將這些傳感器封裝在超小型封裝中也是可取的。柔性封裝是對(duì)可穿戴設(shè)備和醫(yī)療應(yīng)用非常重要的另一個(gè)新興領(lǐng)域。

靠近傳感器的計(jì)算和智能處理對(duì)能效和延遲至關(guān)重要，而硬件和軟件的共同優(yōu)化則是合作的重要載體。TinyML（Tiny machine learning，微型機(jī)器學(xué)習(xí)）是傳感器和執(zhí)行器領(lǐng)域另一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域。該領(lǐng)域包括靠近邊緣設(shè)備或邊緣設(shè)備上的硬件、算法和軟件。例如，它可能位于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理和計(jì)算解決方案邊緣的傳感器上。通常情況下，傳感器數(shù)據(jù)的 ML 推斷在本地完成，耗電量約為 1mW。

未來(lái)十年，隨著 TinyML 在物聯(lián)網(wǎng)中的普及和發(fā)展，人們關(guān)注的關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)ǖ凸膯拘央娐贰⑴c使用先進(jìn)硅節(jié)點(diǎn)制造的硅集成的非易失性存儲(chǔ)器，以及以毫瓦級(jí)功率預(yù)算有效利用有限內(nèi)存/計(jì)算資源的 ML 算法。

硅光子技術(shù)有望為傳感、互連、通信和計(jì)算等多種應(yīng)用擴(kuò)展頻率和帶寬。用于健康/醫(yī)療傳感（包括血糖檢測(cè)、血壓和心臟病標(biāo)記）的先進(jìn)光學(xué)傳感器以及用于汽車應(yīng)用（如激光雷達(dá)）的傳感器帶來(lái)了重要的發(fā)展機(jī)遇。這些傳感器面臨的一個(gè)重要問題是如何達(dá)到同類解決方案的精度和可靠性。

要為 ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）激光雷達(dá)系統(tǒng)提供真正的固態(tài)光束轉(zhuǎn)向，需要進(jìn)一步開發(fā)光學(xué)相控陣和光柵。固態(tài)光束轉(zhuǎn)向?qū)⒔档统杀?、提高可靠性并縮小激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，所有這些都是實(shí)現(xiàn) SAE 3 級(jí)及以上自動(dòng)駕駛汽車量產(chǎn)所必需的。

使用傳感器數(shù)據(jù)的系統(tǒng)通常不會(huì)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的安全檢查，而會(huì)信任傳感器數(shù)據(jù)。因此，對(duì)傳感器設(shè)計(jì)用于解釋的物理現(xiàn)象進(jìn)行操作可能會(huì)導(dǎo)致不希望發(fā)生的操作過(guò)程。例如，智能手機(jī)上的 MEMS 加速計(jì)可以通過(guò)簡(jiǎn)單地播放含有不易聽到的聲音的 YouTube 視頻來(lái)測(cè)量步數(shù)。甚至還可以用這種方法傳遞信息。

因此，集成微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）設(shè)備的安全問題是一個(gè)需要解決的挑戰(zhàn)，以防止惡意篡改數(shù)據(jù)。MEMS 也可以成為安全解決方案的一部分，因?yàn)?MEMS 設(shè)備可用作保護(hù)電路免遭篡改的物理安全機(jī)制的一部分。

傳感器制造和設(shè)計(jì)的趨勢(shì)包括：

用與 CMOS 兼容的基于 MEMS 的諧振器取代晶體振蕩器，以實(shí)現(xiàn)新的架構(gòu)、更高的性能和去除片外無(wú)源元件。

在手持超聲波等應(yīng)用中使用壓電 MEMS 傳感器和致動(dòng)器，以及改進(jìn)和微型化揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)。

采用一整套技術(shù)，利用新的低成本材料和制造技術(shù)，大批量生產(chǎn)成本更低的傳感器，同時(shí)為關(guān)鍵任務(wù)（如全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航）制造高精度的傳感器。

在服裝和織物中安裝傳感器，創(chuàng)造新的時(shí)尚類別，與基于手機(jī)、戒指、體貼和手表的傳感器競(jìng)爭(zhēng)。許多創(chuàng)新技術(shù)還具有軍事用途?？椢飩鞲衅鲗?duì)互聯(lián)性、可靠性和耐用性提出了新的要求。

微機(jī)電系統(tǒng)推動(dòng)了量子計(jì)算的進(jìn)步，因?yàn)槲C(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)量子比特與外界的通信。

與許多電子產(chǎn)品不同，傳感器的制造工藝多種多樣，通常針對(duì)特定的應(yīng)用或傳感器類型。根據(jù)傳感器的不同，它可能需要開放以感知周圍環(huán)境，同時(shí)還要防止不必要的環(huán)境影響。有些傳感器則更適合密封封裝。滿足特定傳感器結(jié)構(gòu)的獨(dú)特封裝需求的關(guān)鍵因素包括采用不同制造技術(shù)制造的傳感器的封裝，以及在柔性基板上結(jié)合柔性和剛性傳感器。一個(gè)與之競(jìng)爭(zhēng)的趨勢(shì)是，在某些應(yīng)用中，傳感器封裝解決方案已開始實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，從而提高了供應(yīng)鏈的效率。

傳感器與相關(guān)電子設(shè)備的集成有多種方式。傳感器可以通過(guò)特殊的兼容工藝與電子元件構(gòu)建在同一芯片上，也可以作為后置工藝創(chuàng)建在 CMOS 上/下，或者作為獨(dú)立芯片組合在一起。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）也可以從 CMOS 堆棧中分離出來(lái)，一些研究人員甚至將鰭片結(jié)構(gòu)作為傳感元件的基礎(chǔ)。分離芯片或后處理可以使用先進(jìn)的 CMOS 節(jié)點(diǎn)和優(yōu)化的 MEMS 工藝。這些不同的集成策略對(duì)封裝、材料選擇、制造和組裝都有影響。在可預(yù)見的未來(lái)，上述每種策略都會(huì)有自己的優(yōu)勢(shì)。

在集成和具有功率/面積效率的光-電-光轉(zhuǎn)換和接口方面仍然存在挑戰(zhàn)。要擴(kuò)大這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍，就必須應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

通信未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

集成光子技術(shù)將極大地改善通信基礎(chǔ)設(shè)施。預(yù)計(jì)在未來(lái)五年內(nèi)，信道符號(hào)率將輕松超過(guò) 100 千兆波特，用于光纖通信的集成光子學(xué)收發(fā)器模塊的聚合帶寬將達(dá)到 3.2 至 6.4 Tbits/s。對(duì)提高帶寬和能效的迫切要求將推動(dòng)數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)從可插拔光學(xué)器件過(guò)渡到協(xié)同封裝光學(xué)器件（CPO），從而推動(dòng)從銅纜過(guò)渡到更短距離（1 米以下）的光纖。

必須強(qiáng)調(diào)的是，如果不使用密集波分復(fù)用技術(shù)（DWDM，或類似的復(fù)用方法）在單根光纖上放置多個(gè)光通道，就無(wú)法充分利用光纖的巨大帶寬（通過(guò)光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)帶寬密度的數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)）。在專用集成電路上成功實(shí)施 DWDM 或相干技術(shù)，還可以在給定光纖帶寬的情況下，在信道數(shù)據(jù)速率與信道數(shù)量之間進(jìn)行權(quán)衡。這種權(quán)衡可以提高能效，降低系統(tǒng)成本。未來(lái)幾年，隨著光子互聯(lián)帶寬密度的提高及其應(yīng)用的普及，降低整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的能耗、每比特成本和延遲（尤其是人工智能/移動(dòng)計(jì)算應(yīng)用）將變得更加重要。使用短、低損耗通道將光學(xué)器件封裝在靠近 ASIC 和其他計(jì)算集成電路的位置，將有助于提高部分能效和帶寬，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的低功耗電光轉(zhuǎn)換和高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。

目前，模擬光子鏈路用于簡(jiǎn)化毫米波節(jié)點(diǎn)集成電路架構(gòu)，可使每個(gè)芯片的天線數(shù)量達(dá)到 1000 根以上。模擬光子鏈路還大大提高了工藝中的節(jié)能效果，其能效遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)鏈中的數(shù)字鏈路。

在通信應(yīng)用方面，還有大量電磁頻譜尚未開發(fā)。要充分利用這一巨大的未開發(fā)頻譜，就需要技術(shù)創(chuàng)新。創(chuàng)新的半導(dǎo)體技術(shù)，如基于 SOI/SiGe 的光子技術(shù)、VCSEL、微型 LED、雪崩光電二極管和基于 InP 的 PIC，將提供先進(jìn)的工藝平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)未來(lái)帶寬和功率的諸多改進(jìn)。

在微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域，光開關(guān)正在取代 OEO 開關(guān)?；谖C(jī)電系統(tǒng)的可調(diào)濾波器和電容器、射頻開關(guān)以及上述微機(jī)電系統(tǒng)諧振器正在實(shí)現(xiàn)新的架構(gòu)和更高的集成度，從而減少了占地面積并簡(jiǎn)化了封裝。這些新型元件為通信電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)開創(chuàng)了一個(gè)全新的時(shí)代。利用 MEMS 實(shí)現(xiàn)通信元件的可調(diào)諧性、對(duì)準(zhǔn)和校準(zhǔn)，還能提高規(guī)格。

計(jì)算與內(nèi)存

光子學(xué)為解決高性能和數(shù)據(jù)中心計(jì)算系統(tǒng)在持續(xù)擴(kuò)展數(shù)據(jù)移動(dòng)過(guò)程中的功率和帶寬瓶頸問題提供了重要機(jī)遇。新型高速、低功耗收發(fā)器、光源、波導(dǎo)/調(diào)制器和光電探測(cè)器是集成光子學(xué)的一些基本構(gòu)件，在這一領(lǐng)域，可持續(xù)的尺寸可擴(kuò)展性仍然是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。光子技術(shù)為低功耗、高速 I/O 和光子互連結(jié)構(gòu)提供了機(jī)遇。此外，光子設(shè)備已被證明可以進(jìn)行某些數(shù)學(xué)運(yùn)算，如矩陣矢量乘法。

通過(guò)在處理器（CPU/GPU/FPGA/ASIC）附近以及從處理器到存儲(chǔ)器的鏈路中實(shí)現(xiàn)光子集成，可以利用光傳輸與銅傳輸相比所具有的巨大帶寬和低損耗優(yōu)勢(shì)，將帶寬密度提高 》100倍，能效提高 》10倍，并在全系統(tǒng)范圍內(nèi)擴(kuò)展封裝級(jí)性能。

光鏈路可提供高能效、低延遲的互連，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算和內(nèi)存的分解。這將利用與 ASIC/CPU/GPU 共同封裝的光學(xué)器件，并使用光通信標(biāo)準(zhǔn)來(lái)連接超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心中跨機(jī)架的計(jì)算和內(nèi)存。

人工智能加速器和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算是推動(dòng)更高壓縮比的其他令人興奮的領(lǐng)域，與先進(jìn)的 2.5D/3D 封裝集成相結(jié)合，在提高能效方面具有巨大潛力。

基于 MEMS 的產(chǎn)品需要更多的板載計(jì)算，以生產(chǎn)出更智能的傳感器。如今，典型的 MEMS 傳感器可提供智能動(dòng)作或其他經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)。這是智能邊緣處理趨勢(shì)的一部分。計(jì)算與傳感相結(jié)合的架構(gòu)正在發(fā)生迅速變化，影響著 CMOS-MEMS 集成和先進(jìn)封裝。

新材料和新工藝

為了實(shí)現(xiàn)更高的性能和更高的集成密度，創(chuàng)新的半導(dǎo)體工藝平臺(tái)包括基于 SOI/ Ge 的光子學(xué)；通過(guò)外延生長(zhǎng)、晶圓/晶粒鍵合或激光腔內(nèi)連接將 III-V 材料集成到硅晶圓上，用于光源、調(diào)制器和探測(cè)器；以及基于等離子體色散效應(yīng)以外的物理效應(yīng)（等離子體、石墨烯）的有源器件。

用于混合集成的鈮酸鋰和鈦酸鋇薄膜是高頻調(diào)制的促進(jìn)因素，而利用三維打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光封裝互連的光子線鍵是需要進(jìn)一步研究的其他領(lǐng)域。高帶寬、低傳輸損耗和低功耗的芯片到芯片光互連預(yù)計(jì)也需要在基板/PCB 的嵌入式波導(dǎo)方面取得進(jìn)展。重要的是要確保低成本、高可靠性的光子材料，在長(zhǎng)時(shí)間和寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的性能，同時(shí)還要保持低熱滯后和低損耗特性，從而要求低總體能耗。

對(duì)于某些傳感器和致動(dòng)器，在提高慣性傳感器性能和射頻濾波器功率處理能力的同時(shí)，還需要進(jìn)行 CMOS 兼容擴(kuò)展，因此需要探索鎢或其他高原子質(zhì)量金屬等新材料，以減少總體占用空間。此外，還在探索基于氮化鋁的 CMOS 兼容平臺(tái)。此外，還在研究具有更高力密度和線性度的新型壓電和相變記憶傳感器。這些用于傳感器和執(zhí)行器的新型材料反過(guò)來(lái)又會(huì)引發(fā)需要溫度和濕度控制的封裝材料和技術(shù)的創(chuàng)新。

慣性傳感器的兩個(gè)重要材料驅(qū)動(dòng)因素是防止機(jī)械裝置粘在基板上的能力，以及具有良好 CTE 匹配的材料組，以防止不必要的彎曲和應(yīng)力，特別是封裝產(chǎn)生的彎曲和應(yīng)力。這些傳感器還需要改進(jìn)的低成本獲取材料以及抗磨損、抗粘連、抗腐蝕和消除電荷的涂層。對(duì)于化學(xué)傳感器，材料的要求是以可重復(fù)和穩(wěn)定的方式促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)。聲學(xué)傳感器/執(zhí)行器材料（如麥克風(fēng)/揚(yáng)聲器）的一些要求是促進(jìn)受控運(yùn)動(dòng)，以產(chǎn)生、移動(dòng)和檢測(cè)聲音。

由于這些設(shè)備必須承受大量的循環(huán)，因此 MEMS 材料的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)是其變形可預(yù)測(cè)且不會(huì)疲勞。光學(xué)傳感器/執(zhí)行器材料包括那些能產(chǎn)生平整、反射表面、不易變形并具有適當(dāng)光學(xué)特性的材料。在射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)中，開發(fā)可靠的接觸材料仍然非常重要。

在光子學(xué)和微電子機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)用中，有幾種新興的下一代材料值得關(guān)注，下表列出了一些例子。

圖1

圖2

技術(shù)現(xiàn)狀和產(chǎn)品實(shí)例

將光子技術(shù)引入集成電路封裝的努力已經(jīng)開始。近年來(lái)，一些顯示從獨(dú)立收發(fā)器過(guò)渡到 CPO 或?yàn)?CPO 設(shè)計(jì)的光學(xué)引擎的初始產(chǎn)品已得到展示。

最先進(jìn)的 MEMS 產(chǎn)品將多個(gè)傳感器與電子元件結(jié)合在一起，提供由板載低功耗電子元件處理的高級(jí)輸出，這些電子元件通常集成了人工智能和高級(jí)校準(zhǔn)功能。新興 MEMS 產(chǎn)品融合了傳感器/執(zhí)行器制造技術(shù)、材料和設(shè)計(jì)方面的進(jìn)步。以下是一些新興產(chǎn)品的例子：

基于微機(jī)電系統(tǒng)的揚(yáng)聲器

可感應(yīng)多種物質(zhì)的化學(xué)傳感器

用于手持成像儀器的超聲陣列

可與 CMOS 集成的 BAW 器件

圖5 舉例說(shuō)明了最先進(jìn)的 MEMS 產(chǎn)品——融合了壓電晶體久經(jīng)考驗(yàn)的卓越成像性能和硅的經(jīng)濟(jì)性的低壓 pMUT 陣列芯片。每個(gè)芯片包含 4096 個(gè)獨(dú)立控制的 pMUT，具有大帶寬、無(wú)與倫比的靈敏度和高達(dá) 150 度的超寬視場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)成像質(zhì)量的快速提升，并提供實(shí)時(shí)人工智能功能，可對(duì)每一幀圖像進(jìn)行分析，引導(dǎo)用戶立即找到答案。展望未來(lái)，pMUT 技術(shù)將實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的 3D 成像，并有可能實(shí)現(xiàn) 4D 成像。護(hù)理人員將能更好地觀察病人，更快地做出診斷。

現(xiàn)有技術(shù)的局限性

光通信并非新鮮事物。半個(gè)多世紀(jì)前，隨著光纖制造技術(shù)的成熟和基于 III-V 技術(shù)的光發(fā)射器和探測(cè)器的出現(xiàn)，光收發(fā)器在長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸中的作用迅速擴(kuò)大，這要?dú)w功于玻璃纖維的低損耗、低色散和寬帶寬特性。技術(shù)的進(jìn)步和多樣化使成本大幅下降，從而使光收發(fā)器在接入和客戶端應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。

與此同時(shí)，20 世紀(jì) 90 年代 DWDM 技術(shù)和摻鉺光纖放大器（EDFA）的出現(xiàn)徹底改變了長(zhǎng)途網(wǎng)絡(luò)，為信息高速公路奠定了基礎(chǔ)。多年來(lái)，光收發(fā)器從定制設(shè)計(jì)設(shè)備發(fā)展到板載模塊，再到大量多源協(xié)議指定的小尺寸（SFF）插拔式光收發(fā)器。這些獨(dú)立的可插拔收發(fā)器在當(dāng)今的數(shù)據(jù)中心中發(fā)揮著不可或缺的作用。

然而，隨著數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)處理集成電路計(jì)算能力的持續(xù)增長(zhǎng)，獨(dú)立收發(fā)器很快就會(huì)成為高帶寬數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。安裝在面板上的收發(fā)器總數(shù)可能無(wú)法為線路卡上的數(shù)據(jù)處理單元或數(shù)據(jù)交換機(jī)提供足夠的帶寬。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率提高到 100 Gigabaud 或更高時(shí)，從信號(hào)完整性的角度來(lái)看，集成電路的串行數(shù)據(jù)交換器與光收發(fā)器數(shù)據(jù)輸入引腳之間的銅線損耗將成為一個(gè)挑戰(zhàn)。因此，CPO 在這種情況下提供了一個(gè)很好的替代方案，也是打破這一物理障礙，同時(shí)繼續(xù)降低整體系統(tǒng)功耗和成本的一個(gè)令人信服的選擇。

將光學(xué)收發(fā)器置于同一封裝內(nèi)，可以解決信號(hào)完整性問題，因?yàn)檫@樣就可以用更短、損耗更低的互連器件和潛在的直接驅(qū)動(dòng)光學(xué)器件消除線路卡上的長(zhǎng)銅線。然而，要真正克服帶寬密度瓶頸，我們可能需要為長(zhǎng)距離/長(zhǎng)距離收發(fā)器引入 DWDM 技術(shù)，同時(shí)保持短距離同封裝光 Ioss 機(jī)制。

由于 MEMS 設(shè)備通常需要定制工藝，因此很難創(chuàng)建類似 CMOS 的高度標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)。例如，磁傳感器可能需要慣性傳感器不需要的材料。一些制造商試圖提供在同一芯片上制造多種類型傳感器的制造工藝，但成本和性能驅(qū)動(dòng)因素往往決定了定制工藝。因此，必須對(duì) MEMS 器件制造工藝及其相關(guān)封裝進(jìn)行編碼設(shè)計(jì)。

另一個(gè)限制因素是沒有像 CMOS 那樣的原始元件，即晶體管。測(cè)試方法往往是傳感器工作原理或應(yīng)用所獨(dú)有的，因此測(cè)試和裝配基礎(chǔ)設(shè)施、生態(tài)系統(tǒng)和供應(yīng)鏈比電子產(chǎn)品更為復(fù)雜。雖然在這些領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但這些問題仍然限制了 MEMS 技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使基于 MEMS 的產(chǎn)品的上市時(shí)間成為一個(gè)問題。隨著微機(jī)電系統(tǒng)市場(chǎng)的持續(xù)快速增長(zhǎng)，將會(huì)有更多的供應(yīng)商推出微機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)品，情況將會(huì)有所改善。

挑戰(zhàn)和可能的解決方案

通信、計(jì)算和內(nèi)存應(yīng)用需要解決多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)和供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)：

光子 IC （PIC） 性能 （200G/Lambda +）、產(chǎn)量、可制造性和成本

大規(guī)模生產(chǎn)用于硅光子學(xué)的低成本 DWDM III-V 激光光源（尤其是 O 和 C 波段）

DFB（Distributed FeedBack）QDOT 和其他激光采購(gòu)選項(xiàng)、性能、電插效率和成本

非密封激光器在升高的環(huán)境溫度下具有高性能，適合 IC 內(nèi)封裝環(huán)境

集成高功率激光器，產(chǎn)量高、可靠性高

激光材料的混合集成

邊緣耦合和垂直耦合光纖連接無(wú)源/有源方案、光纖間距縮放和成本

光纖組裝工藝——低耦合損耗、高吞吐量、高產(chǎn)量

具有高光纖數(shù)/密度和減小包層直徑的光纖陣列的光纖帶狀化

光纖陣列互連/端接硬件開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化

共封裝光纖 （CPO） 的光纖管理 – 每個(gè)封裝的高密度光纖（高光纖數(shù)）和帶狀光纖

先進(jìn)的異構(gòu)封裝，包括可實(shí)現(xiàn)高帶寬密度、高 SI（信號(hào)完整性）和低互連功耗的 3D TSV

用于處理器-處理器和處理器-內(nèi)存訪問的光纖總線架構(gòu)

用于光互連的低成本光源 ? 熱可調(diào)性和結(jié)溫管理 ? 可測(cè)試設(shè)計(jì) （DFT） 和可制造性設(shè)計(jì) （DFM）

穩(wěn)定可行的 PIC、激光器和光纖集成供應(yīng)鏈和生態(tài)系統(tǒng)支持

用于生態(tài)系統(tǒng)支持的光子電路建模標(biāo)準(zhǔn)

傳感器/執(zhí)行器應(yīng)用需要解決多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)和供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)：

1. CAD

傳感器/執(zhí)行器的非線性降階建模

MEMS 協(xié)同設(shè)計(jì)（傳感器/電子器件和封裝）

PDK（工藝設(shè)計(jì)套件），具有所有相關(guān)物理領(lǐng)域的材料屬性

2. 材料

所有相關(guān)物理領(lǐng)域新材料的表征

材料合成工具，用于發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化具有所需特性的材料

彎曲和拉伸下材料的表征，尤其是可穿戴設(shè)備

3. 標(biāo)準(zhǔn)

材料彎曲和拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)

傳感器性能FOM 標(biāo)準(zhǔn)

新興技術(shù)的可靠性和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

4. CMOS和多傳感器集成

必須繼續(xù)使用新的封裝方法從堆疊式引線接合傳感器進(jìn)行過(guò)渡，以實(shí)現(xiàn)更大程度的異構(gòu)集成

5. 傳感器設(shè)計(jì)和制造改進(jìn)

通過(guò)使用現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)、多個(gè)傳感器和/或與其他非 MEMS 傳感器組合，將慣性傳感器改進(jìn)為導(dǎo)航級(jí)

改進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造方法，以及工藝窗口的增強(qiáng)，以補(bǔ)償制造的非理想性

基于 MEMS 的能量采集器必須提高傳感器轉(zhuǎn)換功率輸出百分比，才能與太陽(yáng)能和熱電設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)

持續(xù)開發(fā)低功耗和近零功耗傳感器以滿足能源需求

光學(xué)葡萄糖傳感器必須變得更加準(zhǔn)確才能與基于針的電化學(xué)傳感器競(jìng)爭(zhēng)

紙張和塑料傳感器的精度必須提高才能與硅基傳感器競(jìng)爭(zhēng)

繼續(xù)研究原子鐘技術(shù)以取代大型組件

審核編輯：黃飛