4月12日消息(雋暢)今日,由中國光博會與C114通信網(wǎng)聯(lián)合主辦的“2022中國光通信高質(zhì)量發(fā)展論壇——400G技術(shù)專場”順利召開。聯(lián)合微電子中心有限責(zé)任公司(CUMEC公司)高級工程師邵斯竹應(yīng)邀出席會議,詳細(xì)介紹了硅光技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用,同時(shí)分享了CUMEC公司硅基混合集成創(chuàng)新平臺的最新進(jìn)展。
多方需求推動硅光高速發(fā)展
當(dāng)前,數(shù)據(jù)流量高速增長已成為硅光技術(shù)需求的原生動力。數(shù)據(jù)中心、干線傳輸、城域傳輸三大應(yīng)用場景均對光器件提出低成本、低功耗、小尺寸的需求,這驅(qū)動著光模塊工作速率不斷升級,有力推動硅光行業(yè)的快速發(fā)展。與此同時(shí),來自AI、激光雷達(dá)、量子通信、傳感集成等光系統(tǒng)領(lǐng)域的需求也為硅光技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展機(jī)遇。
邵斯竹表示,硅光的優(yōu)勢主要包括集成優(yōu)勢與材料優(yōu)勢。在集成方面,硅光芯片的波導(dǎo)具有較大的折率差,可以很好地限制光場,芯片尺寸能做到很小。相對于分立的器件,硅光芯片的封裝界面減小,可以有效地減少器件與器件之間的封裝工序和損耗,深受復(fù)雜系統(tǒng)的青睞。在材料方面,硅材料價(jià)格低廉且與CMOS工藝兼容,具有規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢,故而穩(wěn)定性好、良率高,大規(guī)模生產(chǎn)能夠有效降低成本。
近年來,硅光應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大。2016年,Yole預(yù)測2025年硅光市場規(guī)模將超過13億美元,其中超過90%來自數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。2018年,Yole預(yù)測硅光市場規(guī)模將于2024年擴(kuò)大至41.4億美元。邵斯竹指出,在100G和400G時(shí)代,硅光開始滲透,主要聚焦短距和相干領(lǐng)域。800G時(shí)代,硅光可實(shí)現(xiàn)全應(yīng)用領(lǐng)域的覆蓋。
應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的六類硅光技術(shù)
邵斯竹介紹,硅光技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用主要有六類:
第一類是光源技術(shù)。由于硅材料是間接代謝的半導(dǎo)體,在通訊波段不具備發(fā)光能力,量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)方案是目前的重要研究方向。量子點(diǎn)的離散分布特點(diǎn)具有更好的未錯容忍度,能夠有效過濾未錯缺陷對有源區(qū)的影響,可以制造高性能的片上光源。
第二類是低損波導(dǎo)技術(shù)。低損耗的波導(dǎo)是硅光芯片的核心技術(shù),較大的波導(dǎo)損耗會限制系統(tǒng)的規(guī)模。系統(tǒng)越大,波導(dǎo)損耗的影響就越明顯。
第三類是耦合技術(shù)。主要的耦合技術(shù)分為光柵耦合和端面耦合,兩類方案各有優(yōu)勢。光柵耦合適用于鏡面及測試,但光學(xué)帶寬較小,需要將損耗降至最低,才能滿足波動情況下的光模塊應(yīng)用。端面耦合的光學(xué)帶寬很大,損耗易控,但晶圓級的測試難度較大。
第四類是高速調(diào)制技術(shù)。2004年Intel公司提出MOS型電光調(diào)制器,首次將硅基電光調(diào)制器速率提高到Gb/s量級。此后,業(yè)界提出反向偏置的PN結(jié)構(gòu),消除載流子擴(kuò)散效應(yīng),將調(diào)制速率提高到50Gb/s以上。目前,通過PAM4、QAM16等高階調(diào)制格式,硅基電光調(diào)制器的速率可輕松突破100Gb/s。
第五類是高速解調(diào)技術(shù)。硅材料對通信波段透明,需要通過硅外延技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信波段的高速探測,當(dāng)前業(yè)界已經(jīng)實(shí)現(xiàn)100Gb/s以上的探測速率。
第六類是無源器件技術(shù)。硅光器件具有“木桶優(yōu)勢”,其各方面能力均衡的特征有利于為混合技術(shù)提供平臺。例如,集成電光特性優(yōu)異的磷酸鋰或集成波導(dǎo)損耗和耦合損耗都很小的氮化硅。
CUMEC發(fā)力硅基混合集成技術(shù)
“隨著速率不斷提升,電器件的工藝節(jié)點(diǎn)會越來越高,從而導(dǎo)致單片集成的性價(jià)比不盡如人意。”邵斯竹表示,“CUMEC公司采用RDL、TSV先進(jìn)封裝技術(shù),可以將光芯片與電芯片共封裝成任何客戶需要的光電系統(tǒng),在實(shí)現(xiàn)高性能的同時(shí)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性并降低功耗?;旌霞杉夹g(shù)將成為前述六類技術(shù)外的另一項(xiàng)重要技術(shù)。”
據(jù)了解,CUMEC公司的工藝線具備光刻、刻蝕、薄膜、擴(kuò)散四大能力,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)硅光工藝PDK開發(fā)以及IPD器件PDK開發(fā)。2021年,CUMEC公司成功推出基于硅光芯片的第一代三維集成PDK,其TSV的1.4dB帶寬大于50GHz,反射小于20dB,傳輸損耗達(dá)到國際領(lǐng)先水平。此外,CUMEC公司與合作伙伴展開100G DR1硅光芯片的模塊驗(yàn)證,測試性能滿足行業(yè)協(xié)議,實(shí)現(xiàn)了100G DR1芯片的國產(chǎn)化。
硅光技術(shù)是我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)“換道超車”的重要技術(shù)手段。CUMEC公司作為重慶市政府重磅打造的國家級、國際化新型研發(fā)機(jī)構(gòu),旨在構(gòu)建我國新一代微電子關(guān)鍵核心技術(shù)自主創(chuàng)新能力,打造集設(shè)計(jì)、產(chǎn)品和工藝為一體的硅基混合集成創(chuàng)新中心,走超越摩爾定律的發(fā)展路線,成為國際一流、國家級的創(chuàng)新平臺。
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