IDTechEx | 光電子集成芯片和硅基光電子的演進(jìn)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
本文探討光電子集成芯片（PIC）和硅基光電子（SiPh）技術(shù)的發(fā)展、重要性及其對(duì)人工智能和數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域的影響[1]。
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! y) b1 p$ D- x; ^了解光電子集成芯片
光電子集成芯片代表了微芯片技術(shù)的突破。與使用電子進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)電子集成線路（EIC）不同，光電子集成芯片利用光或光子進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這一根本區(qū)別使得光電子集成芯片能夠?qū)崿F(xiàn)比電子對(duì)應(yīng)物更高的速度和更大的帶寬。
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光電子集成芯片的優(yōu)勢(shì)包括：
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速度：數(shù)據(jù)傳輸以光速進(jìn)行，遠(yuǎn)快于基于電子的系統(tǒng)。

帶寬：光電子集成芯片可同時(shí)處理更大量的數(shù)據(jù)。

能源效率：光子質(zhì)量為零，在傳輸過程中消耗更少的能量，產(chǎn)生更少的熱量。

電磁免疫：基于光的系統(tǒng)不受電磁干擾影響。
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這些特性使光電子集成芯片非常適合在保持高可靠性的同時(shí)擴(kuò)展數(shù)據(jù)傳輸能力。
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硅基光電子
; T$ }( R% Y! L; P! @硅基光電子是光電子集成芯片技術(shù)的一個(gè)子集，專門在硅基底上集成光子元件。這種方法利用了成熟的硅制造基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)引入了先進(jìn)的光學(xué)功能。
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1 g% \) e4 |% C9 Z% X硅基光電子的關(guān)鍵組件包括：

激光器

波導(dǎo)

調(diào)制器

光檢測(cè)器

耦合器

開關(guān)

諧振器

多路復(fù)用器/解復(fù)用器
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0 R- `4 ^4 d# t, ]3 u3 o! y/ Y* R光電子集成芯片和硅基光電子的興起
AI和數(shù)據(jù)中心不斷增長(zhǎng)的需求推動(dòng)了光電子集成芯片和硅基光電子技術(shù)的發(fā)展。隨著AI模型和數(shù)據(jù)集在復(fù)雜性和規(guī)模上的增長(zhǎng)，對(duì)高效、高帶寬通信的需求變得越來越重要。光電子集成芯片和硅基光電子技術(shù)能夠滿足這些需求，為AI加速器和現(xiàn)代數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施提供必要的高速數(shù)據(jù)傳輸。
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硅基光電子的材料進(jìn)展
硅基光電子的發(fā)展與材料科學(xué)的進(jìn)步密切相關(guān)。雖然硅仍然是主要基底，但其他材料被引入以解決硅的局限性：

氮化硅（SiN）：由于其低光學(xué)損耗和寬波長(zhǎng)范圍，用于無源組件。

絕緣體上硅（SOI）晶圓：提供強(qiáng)光限制，實(shí)現(xiàn)組件集成。

III-V族化合物半導(dǎo)體：對(duì)激光器集成至關(guān)重要，通常使用倒裝芯片焊接或異質(zhì)集成等方法。

新興材料：探索鈦酸鋇和薄膜鈮酸鋰，以實(shí)現(xiàn)低驅(qū)動(dòng)電壓的高速調(diào)制。

硅鍺（SiGe）：用于光檢測(cè)器，可與硅基光電子線路無縫集成。
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光電共封裝：改變游戲規(guī)則的趨勢(shì)
該領(lǐng)域最重要的趨勢(shì)之一是光電共封裝（COP）的出現(xiàn)。這種方法將光學(xué)引擎直接與交換機(jī)ASIC集成在同一封裝中，提供多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：
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降低功耗

降低延遲

提高帶寬密度

改善信號(hào)完整性


圖1：比較了傳統(tǒng)可插拔光學(xué)模塊與光電共封裝，說明了光電共封裝中電信號(hào)傳輸距離的減少。
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" I( D9 [: D$ m2 W% L光電共封裝技術(shù)對(duì)高密度集成線路特別有益，在以太網(wǎng)交換機(jī)中的應(yīng)用也在增加，以支持更高的數(shù)據(jù)速率。

! }0 D: R" F$ M: I: E硅基光電子的集成方法
硅基光電子領(lǐng)域采用多種集成方法，每種方法都有其優(yōu)勢(shì)：

單片集成：在單個(gè)基底上以統(tǒng)一的過程制造所有組件。

異質(zhì)集成：將來自不同基底的元件鍵合或附著到單個(gè)基底上，通常使用芯片到晶圓或晶圓到晶圓的鍵合技術(shù)。

混合集成：在封裝或板級(jí)將單獨(dú)的芯片或模塊組裝成單個(gè)光子系統(tǒng)。
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圖2：說明了硅基光電子中使用的三種主要集成方法：?jiǎn)纹�集成、異質(zhì)集成和混合集成。
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: h: n* S, @3 H6 {$ q$ ?未來趨勢(shì)和挑戰(zhàn)
9 W* T' G; [- w2 o9 t隨著光電子集成芯片和硅基光電子技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了幾個(gè)趨勢(shì)和挑戰(zhàn)：
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大規(guī)模集成：推動(dòng)在單個(gè)芯片上集成更多組件，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的系統(tǒng)。

先進(jìn)封裝技術(shù)：開發(fā)光子線鍵合等方法，以提高效率和可擴(kuò)展性。

有源組件集成：重點(diǎn)關(guān)注將激光器和調(diào)制器直接集成到光電子集成芯片平臺(tái)上。

材料創(chuàng)新：持續(xù)研究新材料，以提高性能并克服當(dāng)前的局限性。

結(jié)論
光電子集成芯片和硅基光電子代表了數(shù)據(jù)處理和傳輸技術(shù)的前沿。利用光的能力為這些技術(shù)提供了高速、大帶寬和高效率，使其在AI、數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算的未來發(fā)展中不可或缺。
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2 ^8 J) `% O6 e3 d參考來源
[1] X. He, "The Evolution of Photonic Integrated Circuits and Silicon Photonics," EE Times Europe, Sep. 26, 2024. [Online]. Available: https://www.eetimes.eu/the-evolution-of-photonic-integrated-circuits-and-silicon-photonics/ [Accessed: Insert date you accessed the article]

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