長途通信和數據中心是光子元器件的重要應用領域，也加速了光子技術的快速發展，開創了新的市場和機遇。為更好的滿足行業需求，科學家們必須解決集成硅光子學在設計、開發和制造中遇到的瓶頸問題。

　　硅光子技術的領先企業美國Luxtera公司產品營銷總監Brian Welch說道：“看看云計算、搜索和社交網絡中使用的網絡帶寬，人們在運行大型數據中心的時候消耗了遠遠超過其他市場的大量帶寬。下一個可以與該規模相媲美的領域就是無線電5G的推出。”

　　但我們關心的領域不僅僅是帶寬。集成硅光子學有能力從根本上改變一些計算概念，光電行業也只是剛剛開始探索集成硅光子學的所有可能性。

　圖為集成硅光子學示意圖

　　硅的重要性

　　在過去，光子器件都是由專門的晶圓廠制造的，通常基于磷化銦（InP）。Inphi的首席技術官Radha Nagarajan表示：“目前很多公司都可以進行更大規模的硅制造，硅片采用8英寸或12英寸晶圓（200mm或300mm），而InP則采用3英寸或4英寸晶圓（100mm），制造規模是不同的。硅通常采用植入物等制造工藝，但這在InP中不常見，在InP中通常是了利用蝕刻的方式形成某些結構，然后鈍化它們。”

　　Luxtera公司的Welch指出，除了成本低廉之外，硅光子技術的產量也非常高。“如果使用CMOS代工，它們的產量是無與倫比的。過去，生產緩慢推遲了光學解決方案的采用。”

　　300mm晶圓的另一個優勢是代工廠更有可能使用先進的制造技術。Welch補充說：“雖然光子器件不需要很好的光刻技術，但它不會受到傷害，與晶體管相比，這些結構相當龐大，大多數光學結構具有無限的帶寬，所以它們不需要像縮放CMOS那樣需要縮放以使其速度更快。”

　　事實上，談論節點尺寸對光子器件來說并不合適。Nagarajan指出：“光子的波長比電子的波長大得多，這就是電子產品可以進入7nm節點的原因。然而，標準硅光子器件都在130nm或180nm節點，通常使用245nm光刻線。光學器件與電子器件不同之處在于它們相位敏感，且側壁粗糙度和損耗都是重要指標。光刻和蝕刻的質量與更精細的節點一致，但規模更大。”

　　雖然您可能不想使用7nm節點，但其開發可能會間接為您提供幫助。Cadence杰出工程師Gilles Lamant指出：“我們在減小門線粗糙度方面所取得的所有進展都是可行的，代工廠正在投資以更好的實現光子工藝的產量和控制。你會發現，當你聽到GlobalFoundries說他們將他們的平臺移動到更大的晶圓廠或更現代化的晶圓廠時，這不僅意味著每個晶圓的失敗率更高，而且意味著他們的目標是更先進的設備和更好的控制。”

　　現在的問題是光子學不使用傳統的CMOS工藝，并且限制了愿意制造器件的代工廠的數量。Welch表示：“你想使用制造廠中存在的所有工具，同時我們希望盡可能少的偏差。我們不需要特殊的不限或者特殊的工具，我們希望我們的晶圓可以像先進CMOS一樣運行。這就是我們獲得成本和規模的方式。這項技術有很多工作要做，雖然在這方面看起來相當簡單，但這很具挑戰性。”

　　而某些挑戰依然存在。Nagarajan指出了一個大問題：“你需要鍺作為探測器的原料，然而純鍺的生長仍然是一個挑戰。”

　　集成

　　集成是數據中心的驅動因素。Welch表示：“集成非常重要，因為它降低了成本。在優化成本或降低功耗的同時，將朝著更高集成度發展。這對銅來說也是一樣的。它曾經有分立的物理層，但隨著時間的推移，它們在交換機后面以更高的密度集成。集成在光學領域也將發揮同樣的作用。”

　　在光子學中有兩種典型的集成方法。第一種使用混合晶片，直接在CMOS裸片上集成光子元件，因此CMOS晶體管與光子元件在同一襯底上。這是Luxtera采取的方法。但是，大多數人仍然在做一個多芯片設計——它有一個光子晶片和一個電子CMOS晶片。

　　西門子公司IC設計小組的產品營銷經理Chris Cone說：“光子芯片的制造成本通常較低。它們是在較低的技術節點（如130或65納米）下生產的，而且光子晶片的尺寸往往更大。 這意味著它們可以被倒裝結合，并且在其上面粘合CMOS芯片。我們在這方面看到了很大的進展。設想一個CMOS晶粒倒裝在一個光子晶片的頂部，而這個晶粒有點大，所以你可以用它作為插件。然后，您需要訪問CMOS裸片，并需要采用某種形式的硅通孔（TSV）方法來訪問電信號。”

　　激光本身仍然存在一個重大問題。EV集團業務發展副總裁Martin Eibelhuber說：“一個主要問題是有源光學元件的集成，它們通常是基于化合物半導體的激光器。由于硅基器件無法滿足這些激光器的性能，因此需要異質材料集成，這對標準CMOS基礎結構并不常見。直接晶圓鍵合已被證明是結合不同材料的極佳方法——以低成本實現高質量集成。由于幾何約束，全硅晶片鍵合方法對于硅光子學不是優選的，因此開發了利用等離子體激活的直接鍵合的多芯片轉移工藝。”

　　設計流程

　　當前我們需要完善技術所需的工具、工藝和流程。Synopsys光學解決方案事業部研發部門主管Tom Walker說：“我們正在努力將光子設計提升到更高的水平，同時實現更好的自動化。這兩個因素對于幫助更多設計師開發定制光子集成電路設計至關重要。”

　　這一切都始于工藝設計工具包（PDK）。Nagarajan說：“Synopsys和Cadence都在增加這方面的產品。Synopsys剛剛收購了這個領域的一家公司（PhoeniX Software）。 PDK需要自動化，并與Mentor設計規則檢查工具（DRC）和Cadence工具進行結合，這些工具可以實現仿真/數字仿真和Synopsys的等效工具。有一整套光學工具需要移植到這些流程中。這還有很長的路要走。”

　　Walker解釋道：“設計過程分為不同的層次。每個層次都向設計師展現了越來越抽象的功能，同時隱藏了底層的內部工作。第一級對應于物理布局。在此，控制幾何形狀和材料屬性以創建定義組件和連接的結構。其他級別是電路級別，信號行為通過將各個組件連接到電路來定義。

　　在模擬世界中，下一個層次通常稱為參數化單元或PCell。Nagarajan繼續說道：“如果您的設計主要采用基于PCell的標準代工廠，那么設計環境適合自動化。您可以購買一個IP內核并將其納入其中。如果你處于高端市場，那么你正在設計出一個極其出色的產品，這往往是一個專家驅動的過程。盡管這些工具遠不及電子產品或普通可用IP核的復雜程度，但一些代工廠已經開始提供PCells。”

　　設計的另一面是驗證。Cadence的Lamant說：“當你談論機架的頂部到底部或卡的左到右時，能夠進行全系統仿真開始變得非常有趣。你需要將AMS與光學模擬器結合在一起。如果沒有模擬，你只需要簡單計劃并投入足夠的中繼器，但對于較短的距離，你想嘗試優化它并盡量減少能源消耗。”

　　光學元件的集成也產生了一些有趣的新挑戰。Lamant補充道：“光線有反射的趨勢，所以你有前向傳播的光，但有一定數量的光線會反射回來，而且你確實需要建模。這是混合光學模擬器真正起作用的地方。如果你有一種使用數學模型傳播信號的方法，比如Verilog-A，向后傳播需要很多額外的方程。”

　　在電子和光子聚集在一起的地方出現了另一系列問題。Mentor公司的Cone說：“當你驅動一個光子接口時，你遇到了很多噪音和大量熱量的問題，這必須考慮在內。沒有人提供這種能力。這一切都歸結為接口，它非常高速，以每秒幾十千兆位的速度運行，一個開關驅動調制器上的結點或移相器，并產生一個您必須考慮的EMI簽名。同樣，從光電探測器開始，你會有一個非常敏感的輸入進入跨阻放大器。你必須屏蔽來自電路其他部分的噪聲。”

　　這種電活動以及它產生的熱量可能會給光學器件帶來困難。Lamant指出：“只需將溫度改變1°C，就可以看到光線的巨大變化。有一些很好的方法可以調整光路，雖然這可能是一個優勢，但我周圍的所有電子設備的變化速度都很快，帶來了超過1°C的變化。所以這是一個非常敏感的調整機制，也是一個大問題。這是一個投資和研究領域。我們需要以動態的方式更好地理解熱效應。對于電子產品來說，它通常被視為二階效應。但對于光學來說，散熱是一種一階效應。如果您從制造廠的PDK中查看組件，則會看到許多熱調整組件。所以它不是在驗證階段就能夠離開的東西。這是一個一級效應。”

　　Lamant解釋說，光子電路需要找到熱平衡。當你想要創建光子學中的零點時，你要么嘗試調整相位或者使它們不對準，以產生建設性或破壞性的干擾。通過加熱一些東西來調整受影響的相位偏移，從而向前或向后移動物體。

　　EDA正在應對這些挑戰。然而，Cone有一個警告：“光子學與電子學非常不同，我們需要為領域提供解決方案以滿足他們的需求，而不是試圖迫使光子學領域遵守嚴格的EDA設計規則，我不相信這是正確的做法。”

　　前途光明

　　盡管光子學不會像走上電子學和摩爾定律那條道路，但光子行業已經開始提高光子電路的可能性。Lamant指出了MIT的一個有趣的發展：“Light Matter有一個光子學乘法器，用于機器學習中應用矩陣系數。光子電路本身非常簡單，但正在執行的功能卻非常復雜。”

　　矩陣乘法是機器學習中的性能限制器，并且消耗大量的功率。對于光學等效物，它可以以更快的速度和少量的功率執行。

　　其他應用程序可能會被發現。Lamant警告說：“一個重要的考慮因素是數據必須轉換成適合光學的形式，而且需要能量。因此，其中一個折衷方案是，是否值得將電子信息轉換為光信息，以便可以在光學加速器內消耗和處理。或者更好地將其用作電子產品并支付更高的成本，這是一個系統級的折衷。”

　　Cone指出另一個有趣的研究線。“看看HPE實驗室和機器，這是一種內存驅動計算的形式。他們提供了計算的未來愿景，這是基于光子學的。”

　　在硅光子學中，您有大量節點通過單根光纖連接，并且它們幾乎都是瞬間互相對話。Cone表示：“這改變了我們對系統級芯片架構的了解，所有這些都基于電子連接。企業意識到他們不需要使用傳統架構，所有架構都是模塊化的，并通過一些接口進行交流。”

　　集成硅光子技術變得越來越重要，必要的工具和流程也已日趨成熟。在未來硅光子集成技術將提出更新穎的方式為光子學領域提供便利。