光子學可以促進半導體行業(yè)以“光速”前進。

光子學革命正在如火如荼地進行中。光子學最初是一項幕后技術(shù)，深深隱藏在海底和光纖通信的基礎設施中——但自21世紀初以來，光纖到戶、高速數(shù)據(jù)通信、智能手機和便攜式設備中的3D傳感以及用于自動駕駛功能的激光雷達（LiDAR）解決方案一直在穩(wěn)步增長。這些技術(shù)將光子學作為其架構(gòu)的一部分，它們的普及，特別是在消費類設備中的普及，為光電子行業(yè)的光學方面的發(fā)展創(chuàng)造了動力。

為了滿足人工智能（AI）的需求，基于光子學運算處理的重要性正在急劇增加。

正如曦智科技（Lightelligence）的聯(lián)合創(chuàng)始人沈亦晨所言：“大約在2015年，摩爾定律開始失效——盡管晶體管仍在變小，但從持續(xù)的微型化中獲得的性能收益已不如以前。更重要的是，開發(fā)下一代更小的器件所需的時間越來越長?！?/p>

人們迫切需要顛覆性的技術(shù)。

對自動駕駛汽車需求的不斷增長顯示出需要提高計算能力的必要性。隨著汽車制造商面臨客戶對改進自動化的日益增長的需求，芯片制造商正在轉(zhuǎn)向光子學。最初，帶來了解放雙腳的自適應巡航控制功能，然后是解放雙眼的輔助攝像頭和接近探測功能，以及最近隨著車輛向完全自動駕駛方向發(fā)展的離手駕駛功能。

這種發(fā)展需要大量的光子學組件。光子學技術(shù)能夠精確、快速地監(jiān)測你周圍的區(qū)域。使用基于光子學的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的即時傳輸，使車輛能夠提醒駕駛員附近的潛在危險，包括行人或其他車輛。

消費者表示，他們非常希望在車輛中使用更多的自動駕駛技術(shù)——以至于Fortune Business Insights的一份市場研究報告預測，全球自動駕駛汽車市場將從2021年的16.4億美元增長到2028年的110.3億美元。

該報告的亮點包括：“傳感器處理技術(shù)、高清地圖、自適應算法的快速改進，以及基礎設施到車輛和車輛到車輛通信技術(shù)的發(fā)展，正在鼓勵多家公司擴大生產(chǎn)能力，并將車輛自動化提升到一個新的水平。”

達到新的水平將需要微芯片制造商轉(zhuǎn)向光子集成電路（PIC）。PIC能給汽車帶來什么，它們又能在傳輸速度方面給數(shù)據(jù)中心、可穿戴設備、醫(yī)療技術(shù)等帶來什么優(yōu)勢？

PIC可以取代傳統(tǒng)的組裝、集成電子和光子學組件的方法，這些方法已經(jīng)過時，而且在資本和勞動力方面都很昂貴。使用PIC可以顯著節(jié)省成本和組裝時間。但對于許多芯片制造商來說，與標準硅相比，構(gòu)成大多數(shù)光子學器件的材料都很特殊，并且難以制造，而標準硅是芯片行業(yè)大量投資并希望繼續(xù)支持的材料。光子學中使用的材料主要用于LED、探測器、傳感器和成像設備等。

但根據(jù)Skyquest Technologies最近的一份市場研究報告顯示，到2028年，全球光子學市場預計將從7220億美元增長到1.2萬億美元。這種擴張是由于人們逐漸意識到半導體和光電子行業(yè)的傳統(tǒng)方式不會長期有效而形成的。

市場需要的是一種集成解決方案，以“半導體化”光子學——使用完整的晶圓級半導體工藝生產(chǎn)芯片級器件。只有通過這種方法，才能生產(chǎn)出數(shù)以億計的器件，同時降低其成本、尺寸和功率要求。

1.6T Rx OE——POET Technologies的可插拔解決方案（可擴展至1.6 Tbit/s及以上）

通過在單顆芯片上添加光學器件相互通信以及與電子器件通信的方式，POET Technologies改進了廣泛用于芯片間電通信的傳統(tǒng)電中介層（electrical interposer）。

POET將光波導夾在電連接之間，為半導體行業(yè)提供集成光子學解決方案。POET的平臺基于該公司專有的光中介層（optical interposer），該裝置僅采用與CMOS兼容的晶圓制造方法生產(chǎn)，并使用標準的高電阻率硅襯底以實現(xiàn)單顆芯片上所有電子和光子學組件之間的高速通信。各種各樣的組件（例如激光器、檢測器、調(diào)制器、光電二極管、驅(qū)動器等）都是倒裝芯片，并粘合到光中介層上。已知良好的組件被選擇以適應特定應用。因此，這種集成在性質(zhì)上是“混合式”的。去年，該公司宣布在其產(chǎn)品設計中加入了Lumentum公司的高速直接調(diào)制激光器（DML）。它還使用了Broadcom公司的連續(xù)波（CW）激光器，在其設計中加入了同類最佳的組件。

POET的光中介層架構(gòu)以及使用傳統(tǒng)半導體設備進行組裝和測試的關鍵在于其低損耗波導。通過棱鏡光譜表征的波導的材料損耗小于0.3 dB/cm，比在其它硅光子學技術(shù)中使用的典型小纖芯硅波導的材料損耗約好一個數(shù)量級。此外，波導主要是非熱（dn/dT=12pm/°C）和非雙折射的。他們?yōu)樾酒嗣婀饫w耦合設計了一種專用的光斑尺寸轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)0.25 dB的端面耦合損耗。

POET光中介層引擎

在傳統(tǒng)半導體晶圓上增加這些專利波導層對于實現(xiàn)晶圓級的電子和光子學組件的集成至關重要。這種集成使得100G至1.6Tbit/s通信的光引擎實現(xiàn)了世界上最小的芯片級封裝。在4.5×9 mm的尺寸上，POET光引擎包含了四個DML、四個高速光電探測器、四個監(jiān)測光電二極管和一對多路復用器/解復用器。它還減少了總材料成本——這是一個極具吸引力的特性，在過去兩年的供應鏈短缺之后，這一點尤其有意義。該設備非常小，以至于收發(fā)器模塊制造商可以在一個標準QSFP-DD模塊內(nèi)安裝四個引擎，在給定面板密度下，數(shù)據(jù)速率可以提高四倍。

這些首批使用POET光中介層構(gòu)建的集成光子學芯片和AI-ML加速器芯片的初始客戶包括成熟的芯片制造商和初創(chuàng)公司。他們認為混合式集成光電子解決方案對于為客戶和最終用戶提供先進性能至關重要。

對于不懈追求數(shù)據(jù)和連接的行業(yè)，光子學是真正能以光速前進的未來的最佳、最可行的途徑。這就不難理解為什么該行業(yè)被預測為未來幾年內(nèi)增長最快的技術(shù)領域之一了。

編輯：黃飛

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