12/01/2021，光纖在線訊，目前世界上很多國家，尤其是主要的工業(yè)國家，都把光電集成列為國家的發(fā)展戰(zhàn)略。據(jù)最新報道，韓國宣布斥資4500億美元打造“半導(dǎo)體強(qiáng)國”新戰(zhàn)略。在美歐日韓均合縱連橫、大筆押注芯片制造業(yè)回流和先進(jìn)工藝的時刻，使用成熟且實用的硅光高級集成與先進(jìn)封裝技術(shù)無疑是在后摩爾定律時代進(jìn)行“產(chǎn)業(yè)鏈自主可控”、實現(xiàn)“變道超車”的最具有顛覆性能力的技術(shù)方向之一！



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在電子集成領(lǐng)域，有一個著名的定律叫摩爾定律，是英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾在1965年4月提出來的經(jīng)驗之談。摩爾定律的核心內(nèi)容為：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目，在大約每經(jīng)過18個月便會增加一倍。簡單來說就是我們的集成芯片性能每隔兩年翻一倍。從1965年摩爾定律被提出至今，半導(dǎo)體集成制程工藝已經(jīng)接近摩爾定律的極限。在第一章首先回顧了半導(dǎo)體微電子芯片的集成與封裝技術(shù)的發(fā)展歷程；詳細(xì)闡述了FlipChip/Bumping、晶圓級WLP、2.5D、3D等新型封裝技術(shù)；為了給硅光集成技術(shù)做好鋪墊，對芯片制造全工藝流程及關(guān)鍵工藝如薄膜沉積與生長、光刻、摻雜、異構(gòu)芯片銅互連等進(jìn)行了詳細(xì)介紹和闡釋。后摩爾時代SoC芯片繼續(xù)微縮面臨的壓力，提出了研發(fā)突破口為向多維擴(kuò)展要芯片性能的新發(fā)展空間的思路，即采用Chiplet技術(shù)延續(xù)摩爾定律生命力。研究了晶體管演進(jìn)、邏輯與存儲異構(gòu)集成、ASIC交換與光模塊異構(gòu)集成等核心關(guān)鍵技術(shù)。

隨著5G超高速網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)化，以云計算、大數(shù)據(jù)和AI等新興技術(shù)將迎來快速發(fā)展時期。面對與日俱增的云服務(wù)和數(shù)據(jù)量，通信系統(tǒng)需滿足低時延、低抖動、低丟包、高帶寬、高可靠，和高安全的高品質(zhì)連接。因此通信運營商必須以高速直達(dá)的波分復(fù)用(WDM)技術(shù)為基礎(chǔ)，低成本和低延時的光模塊為核心，通過引入高集成度、彩光直連、通用共享和靈活智能等技術(shù)創(chuàng)新，來打造高效、快速和便捷的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)云中心、電信網(wǎng)絡(luò)和接入終端，推動云網(wǎng)高度融合發(fā)展。第二章研究了5G和數(shù)據(jù)中心的新需求，云網(wǎng)融合背景下的新基建需求。分析了通用化、智能化、開放化的WDM技術(shù)創(chuàng)新，以及低成本高速光連接技術(shù)向網(wǎng)絡(luò)末端下沉的各種關(guān)鍵技術(shù)，包括低成本倍頻技術(shù)、PAM-4、400G、PAM-4直調(diào)直撿、PAM-4+DSP、相干技術(shù)的下沉等。

全世界都在尋找突破摩爾定律極限的方法。而光子集成技術(shù)正是其中之一。光信號的傳輸效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電信號的傳輸，電有電的特點，光有光的特長，能把兩者完美的融合在一起，就能通過光電集成在一定程度上突破半導(dǎo)體摩爾定律的極限。因此，將光與電二者的特長各自發(fā)揮，將兩者完美的融合在一起，就可以實現(xiàn)通過光電的融合集成來突破半導(dǎo)體摩爾定律的極限。利用現(xiàn)在半導(dǎo)體的技術(shù)，把分立的光器件，通過半導(dǎo)體的集成技術(shù)或封裝工藝集成到電的IC芯片里面去，實現(xiàn)光電子單片集成，這是目前半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域發(fā)展的一個重要方向。第三章以硅光芯片集成技術(shù)為核心內(nèi)容，首先回顧了集成光學(xué)、光子學(xué)、硅光學(xué)的發(fā)展歷史，厘清了電子、光子、硅光、硅光子、Si基、PLC、PIC、SOI等名詞的概念和關(guān)系；更進(jìn)一步地，對硅光集成、硅基集成、混合集成、單片集成、光電集成也厘清了它們之間的相互關(guān)系；然后，分別從硅光多維度集成資源、硅光材料、硅光集成元器件等各種角度細(xì)致研究了硅光集成技術(shù)原理、分類特征和應(yīng)用優(yōu)勢。

由于隨著芯片封裝技術(shù)越來越精細(xì)、越來越向三維空間發(fā)展，所以傳統(tǒng)的封裝技術(shù)越來越具有了集成化的特性，因此先進(jìn)的封裝技術(shù)也成為與高級集成技術(shù)并駕齊驅(qū)的突破摩爾定律限制瓶頸的核心手段。在第四章系統(tǒng)研究了硅光芯片的高級集成技術(shù)及硅光異構(gòu)芯片的先進(jìn)封裝工藝，分別詳細(xì)研究了硅光集成的核心關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，包括：兼容CMOS、SiN新波導(dǎo)材料、光源集成、異構(gòu)集成、異質(zhì)外延生長集成、單片集成等工藝創(chuàng)新；對光源耦合、異質(zhì)鍵合、外延層轉(zhuǎn)移、TSV轉(zhuǎn)接、多維封裝、收發(fā)器單片集成等硅光芯片的新技術(shù)與新工藝原理都進(jìn)行了深入的研究。首次系統(tǒng)分析了CPO概念、原理、應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、載板工藝和商用系統(tǒng)開發(fā)創(chuàng)新核心研發(fā)方向；最后對Intel等公司的硅光集成封裝平臺進(jìn)行了簡要介紹。

關(guān)于芯片、器件和模塊，通常用6個字來概括三項非常重要的指標(biāo)：高速、智能、節(jié)能。如果要實現(xiàn)“高速”的話，一種最簡單易行的方法就是“多通道多功能高密度”，同時還要求具有小尺寸和低功耗等最典型的特征。既然是多通道，那么就要做到將多通道集中到一個小的空間里面去。行業(yè)通行的做法一般是在維持尺寸大小不變的基礎(chǔ)上實現(xiàn)速率等能力的翻翻提升。如果同時要將4個/8個/16個通道放進(jìn)去，這就需要集成技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，所以硅光光子集成就是為集成應(yīng)用而生的。只有多通道高密度，光子集成才真正能起到它的作用，它既可提升性能，功耗也能降下來，相對于電子集成，較低的功耗也是整個硅光光子集成的一個非常重要的優(yōu)勢。第五章將前面兩個章節(jié)關(guān)于硅光集成技術(shù)與封裝工藝原理全部落實到高速并行400G光模塊的產(chǎn)品開發(fā)上，著重研究了400G的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、封裝規(guī)格、400G硅光光模塊的并行方案設(shè)計、400G集成封裝工藝、400G光模塊應(yīng)用方案，還詳細(xì)分析了業(yè)界已商用化發(fā)布的400G硅光光模塊產(chǎn)品的優(yōu)化改進(jìn)思路。作為后續(xù)演進(jìn)方向的順延，還研究了800G光模塊的技術(shù)選擇與硅光工藝的實現(xiàn)方案。

集成電路已經(jīng)發(fā)展了幾十年，已經(jīng)從電子管-晶體管-集成電路到大規(guī)模集成電路。到今天集成電路的尺寸越來越小，越來越精細(xì)，如今7納米這樣的成熟設(shè)計已被芯片廣泛使用，甚至5nm更小的集成精度也會很快出現(xiàn)在市場上。實際上光和電都是電磁波，它只是處于不同的波段，不同的波粒二象性。電有電的特點，光有光的特長，能把兩者完美的融合在一起，就能通過光電集成在一定程度上突破半導(dǎo)體摩爾定律的極限。硅基光電子集成技術(shù)利用成熟的微電子互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝設(shè)備，在絕緣體上的硅（SOI）上制造用于光通信、光互連和光信號處理的光電子器件和芯片，可實現(xiàn)低成本、批量化生產(chǎn)。在整個半導(dǎo)體集成電路行業(yè)里面，光電集成占到整個半導(dǎo)體集成電路的大概15~20%的占比。第六章逐一介紹了基于硅光集成技術(shù)制造的各種有源、無源光器件和光芯片。有：光柵、光頻梳、耦合器、微環(huán)諧振器、偏振分束器、多維復(fù)用/交換芯片、各種復(fù)用/解復(fù)用器、MZI/MRR型電光調(diào)制器、硅基調(diào)制器、可重構(gòu)硅光集成器件、光開關(guān)陣列、隔離器……

硅基光子集成在過去十多年內(nèi)得到了飛速發(fā)展，通過硅基光子集成可以將光場緊束縛于微米/納米尺度的芯片結(jié)構(gòu)上。硅基光電子集成技術(shù)利用成熟的微電子互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝設(shè)備，在絕緣體上硅（SOI）上制造用于光通信、光互連和光信號處理的光電子器件和芯片，可實現(xiàn)低成本、批量化生產(chǎn)。

硅光集成技術(shù)是以硅和硅基襯底材料（如SiGe/Si、SOI等）作為光學(xué)介質(zhì)，通過互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容的集成電路工藝制造相應(yīng)的光子器件和光電器件，這些器件不僅包括硅基發(fā)光器件、硅基調(diào)制器、硅基探測器、硅基光波導(dǎo)器件，同時也可以包括與III-V族化合物器件混合集成的器件，并利用這些器件對光子進(jìn)行發(fā)射、傳輸、檢測和處理，以實現(xiàn)其在光通信、光互連、光計算等領(lǐng)域中的實際應(yīng)用。

硅光集成技術(shù)結(jié)合了以微電子為代表的集成電路技術(shù)的超大規(guī)模、超高精度的特性和集成光學(xué)技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢，將集成光學(xué)器件與電子元器件組合至一個獨立的微芯片之中，可以提升路由器和交換機(jī)線卡/板卡之間芯片與芯片之間的連接速度，可以滿足數(shù)據(jù)中心對更低成本、更高集成度、更多嵌入式功能、更高互連密度、更低功耗和更高可靠性的發(fā)展需求，因此硅光芯片市場前景廣闊。

硅基光電子集成技術(shù)與器件的發(fā)展前景究竟如何？所面臨的問題與挑戰(zhàn)究竟怎樣解決？它的發(fā)展對傳統(tǒng)的信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)會造成怎樣的影響？我們應(yīng)該如何抓住機(jī)遇實現(xiàn)快速發(fā)展？這些不僅涉及數(shù)據(jù)中心光互連需求、WDM光連接技術(shù)下沉、硅光集成技術(shù)、硅光封裝工藝等核心技術(shù)問題，還和產(chǎn)業(yè)政策、技術(shù)演進(jìn)策略等多方面因素有關(guān)。硅光的投資即是難得的機(jī)會，也面臨巨大的挑戰(zhàn)。

硅光芯片是凝結(jié)了“硅基+光+電子”的先進(jìn)集成技術(shù)與高級封裝工藝的異質(zhì)混合、多維度擴(kuò)展的芯片尖端技術(shù)與工藝。業(yè)內(nèi)預(yù)計硅光芯片市場年均復(fù)合增長率將超過40%，市場潛力巨大。

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