硅光子技術的案例
硅光子技術原理介紹
硅光子技術原理介紹
硅光子技術即在硅晶圓上實現光傳輸，用激光束代替電子信號傳輸數據，是一種基于硅光子學的低成本、高速率的光通信技術。硅光子技術的實用化和研發的推進改速度都超過了預期，其中，進展尤為快速的當屬日本。
光子學使用的材料是玻璃，光器件是基于玻璃上制作的，這與硅有所不同。由于光的波長對硅而言是透明的，如果信息完全基于硅的基礎上的話，就不能做光接收器，這是硅材料的本質不足，尤其是光源方面，所以硅材料不適合做激光器。但是硅光子技術的應用范圍可以從電路板間的數據傳輸擴大到芯片內的傳輸，并且未來硅光子技術的應用范圍有望擴大到芯片間和芯片內的傳輸，預計這方面的應用將在2020年左右實現實用化。
有專家表示，硅光子技術是一個原理性的技術，人們可以透過這個窗口看到以前沒有看到過的東西。如果作為獨立元件的話，它的優勢在于獨立波長，這不像其他傳統的激光器，傳統的激光器會產生紅光、綠光，而基于硅光子的獨立元件能產生傳統激光器產生不了的光。
來源：中國電力電子產業網
展開 硅光子技術應用的分析
硅光子技術應用的分析
調查公司Global Information發布的數據顯示，2011年有源光纜(AOC)的全球銷量為30.5萬根，銷售額為7000萬美元。并且還預測，2016年的銷量將達到78.6萬根，銷售額將擴大到1.75億美元。之所所硅光子在AOC光收發器領域取得很好的成績，是因為可以通過量產大幅降低成本，而此前的AOC采用的是基于化合物半導體的分立元件，價格相對比較高。
傳統光通信模塊是將三五族半導體芯片、高速電路硅芯片、無源光器件及光纖封裝而成，其中的成本主要來自三五族半導體芯片及系統封裝。雖然其傳輸速度可達40Gbit/s以上，但是比起使用電纜傳輸而言，價格卻昂貴得多，因此近年來，高速硅光電組件變成一項相當炙手可熱的題材，主要研究目的就是希望借由芯片量產技術降低芯片生產成本、提升良率，另一方面，可以縮小硅光電、光學組件的尺寸，進一步和后端電路整合在一起，以降低封裝成本。
總體而言，采用硅光子技術的最大特點就是成本低、速度快。當然，硅光子若進一步發展還存在兩大難題。一是，使光元件和光收發器大幅實現小型化和低耗電量化的方法。另一個是，進一步實現大容量化的王牌——密集波分復用(DWDM)技術的利用。
如今的光子晶體未采用硅基，因為很難采用硅基以高效率制作有源器件。不過，結合發光的鍺和硅等技術的話，就有可能實現硅基光子晶體。
另一方面，高速硅光子光傳輸可能需要DWDM。該技術早在15年前就已普遍用于長距離通信用設備等，但用于硅光子則非常難。其中一個原因是，各個光元件發出的光的波長以及通過波導的光的波長因溫度變化存在巨大偏差。將長距離通信設備使用的溫度控制功能用于硅光子技術的成本過高，不現實。
展開 適合中國的新賽道——硅光子！
就以在全球進行并購的華為為例，其并購標的包含了英國集成光子研究中心CIP Technologies、比利時硅光技術開發商Caliopa。中國政府甚至在武漢設立了東湖高新區光電園，全力打造硅光子相關技術。
對于擁有半導體制造完整產業鏈與先進制程優勢的臺灣地區而言，雖然前十年投入硅光子技術研發的廠商有限，但近年來半導體制造供應鏈正低調地卯足全力投入這項技術研發，希望能在硅光子技術上再度復制半導體成功模式。正如日月光研發副總洪志斌所言，硅光子無疑將是“一大技術杠桿、同時也是新興應用的新支點，能夠觸動出新型態與新世代的數據中心，并且帶動各種新興數據密集型應用”的重量級技術。
專心 專業 專注
展開 寫在硅光技術爆發前夜
隨著摩爾定律逐漸變緩，硅光技術是延續摩爾定律的發展方向之一。
當格芯推出硅光代工平臺，誓要成為領先硅光子代工廠；長電科技預測硅光封裝成為未來趨勢之時，這項早在上世紀提出的技術，正悄悄改變著半導體行業。
云時代帶來的海量數據、逼近極限需要解決的節點間隙，這些可以通過光子解決的問題，正一步一步推動著硅光子前行。
硅光技術正在爆發前夜。
硅光子已成為未來趨勢
早在上個世紀90年代，IT從業者就開始為傳統半導體產業尋找繼任者，光子技術一度被認為是最有希望的技術。
硅光是以硅光子學為基礎的低成本、高速的光通信技術，利用基于硅材料的CMOS微電子工藝實現光子器件的集成制備，融合了CMOS技術的超大規模邏輯、超高精度制造的特性以及光子技術超高速率、超低功耗的優勢，把原本分離器件眾多的光、電元件縮小集成到一個獨立微芯片中，實現高集成度、低成本、高速光傳輸。
硅光技術的發展可以分為三個階段。第一，硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底層器件做出來，達到工藝的標準化；第二，集成技術從耦合集成向單片集成演進，實現部分集成，再把這些器件像樂高積木一樣，通過不同器件的組合，集成不同的芯片；第三，光電一體技術融合，實現光電全集成化。把光和電都集成起來，實現更加復雜的功能。
目前硅光技術已經發展到了第二個階段。
在制造工藝上，光子芯片和電子芯片雖然在流程和復雜程度上相似，但光子芯片對結構的要求不像電子芯片那樣嚴苛，一般是百納米級。這大大降低了對先進工藝的依賴，在一定程度上緩解了當前芯片發展的瓶頸問題。
展開 
光學及硅光子仿真推動汽車行業的技術發展
本次會議重點介紹了超大規模云提供商（如谷歌、微軟和Meta）所需的光學技術，旨在支持數據中心不斷增長的帶寬和性能需求。
現場聆聽行業專家討論CPO與可插拔光學的優勢是非常有趣的。CPO在最大限度降低功耗（新一代數據中心的關鍵需求）方面具有強大的優勢，而可插拔光學是一種久經驗證的技術，并且仍有進步空間。實際上，在為數不多的一些情況下，許多公司在開發可插拔光學解決方案時采用的技術與其CPO解決方案相同。
會議期間分享了一個有趣的假設，至少在近期CPO可能會在新興技術領域找到更多機會，而非數據中心。這是因為CPO在其他應用實現商業化之前，超大規模云提供商可能不愿投資于共封裝光學所需的研發，而適合CPO的應用之一是汽車激光雷達。
許多人認為，激光雷達系統對于自動駕駛汽車從當前的自動化水平（L2級以上，高級部分自動化）發展到預期的L4級（高度自動化）和L5級（完全自動化）至關重要。雖然激光雷達的能力已在市場上被成功證明，但在縮小激光雷達系統的尺寸，降低成本的同時提高性能、可靠性與安全性方面仍存在挑戰。業內已經采用固態技術作為應對這些挑戰的第一步，但越來越多的長期解決方案傾向于使用硅光子技術和共封裝光學。其中一個例子是英特爾旗下自動駕駛子公司Mobileye，該公司將使用光子集成電路（PIC, photonic integrated circuits）為新一代激光雷達傳感器提供動力，并預計在2025年之前將這些傳感器部署完成。其他激光雷達公司如果還沒有采取這樣的措施，預計也很快就會開始行動。
行業逐漸意識到，對激光雷達的定位即將從“前景和可能性”轉向“全面生產和部署”，但仍然存在一些技術挑戰需要克服，仿真是了解這些挑戰并尋找其解決方案的關鍵。
展開 硅光子學的“最后一米”難題
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如果你認為當今時代正處于技術革命的風口浪尖，那么請回想一下20世紀80年代中期，那時硅片使用的是微米級晶體管，光纖系統在世界各地以每秒鐘數萬億比特的速度傳送數據。
綜合硅數字邏輯、光電子學以及光纖通信技術的潛力，一切似乎皆有可能。
按照當時工程師們的設想，這些技術將持續發展和融合，直到光子技術與電子技術相結合，并最終取代電子技術。光子技術不僅可以實現跨國數據傳輸，還可以在數據中心之間甚至是計算機之間傳輸數據。工程師們認為，通過光纖可以在芯片間傳輸數據，甚至設想出了光子芯片：很多人都期待將來有一天極速邏輯芯片可以利用光子而非電子。
但是，這樣的設想并未實現。企業和政府曾投入億萬美元用于研究新型光器件和系統，利用光纖將數據中心內部計算機服務器的機架連接起來。誠然，很多現代數據中心的機架都利用這些光設備進行連接。然而光子技術也就到此為止了。在機架內部，單個服務器板仍然使用廉價的銅纜和高速電子器件相互連接。當然，在電路板上，連接處理器的都是金屬導線。
將光子技術推向服務器本身、用光纖直接連接處理器的嘗試，因經濟原因觸礁而失敗了。根據市場調研公司光計數公司（Light Counting）的調查，以太網光收發設備市場規模已達到年均40億美元，到2020年這個市場將擴大到近45億美元和5000萬套器件，這不可否認。但是時至今日，光子技術仍未解決數據中心計算機機架與處理器芯片間最后幾米的問題。
不過，光子技術的巨大潛力意味著仍有希望。雖然技術挑戰仍十分巨大，但數據中心設計的新思路為大數據時代的光子技術革命提供了一條看似可行的道路。
展開 偏振分集光柵耦合器實現光纖與芯片的高效互聯
在光通信、數據中心和人工智能等領域，硅光子技術憑借其高集成度、低成本和CMOS工藝兼容性，正成為下一代光互聯的核心驅動力。然而，光纖與硅光子芯片的高效耦合一直是技術難點——尤其是如何在實現高效率的同時兼容偏振分集。近日，一項發表在《IEEE PHOTONICS JOURNAL》的研究提出了一種基于多極輻射模式增強的雙層二維光柵耦合器 ，為硅光子器件的規模化應用提供了新思路。本文將從技術背景、設計原理、實驗結果展開解析。
光纖-芯片耦合的挑戰與機遇
硅光子技術的核心優勢在于其高折射率對比度，可實現超緊湊的光學器件。然而，光纖（模式直徑約10 μm）與硅波導（亞微米尺寸）之間的模式尺寸差異巨大，導致耦合效率低下。
傳統解決方案的局限：
邊緣耦合器：需高精度切割芯片端面，成本高且難以規模化；一維光柵耦合器：雖支持晶圓級測試，但僅對特定偏振光高效，實際應用中光的偏振態復雜多變，導致性能波動；二維光柵耦合器：理論上可實現偏振分集（將任意偏振光分解為兩個正交模式），但效率受限于工藝—主流 220 nm SOI 平臺與 193 nm 光刻技術下，如何平衡結構復雜度與耦合效率成為關鍵。
此前研究 雖通過加厚硅層或復雜納米結構提升效率，但特征尺寸或工藝兼容性不足。而本篇文章通過雙層級介質結構（70 nm淺刻蝕孔陣列+160 nm多晶硅齒陣列）激發多極輻射模式，在保證工藝兼容性的同時顯著提升方向性與耦合效率，為硅光子芯片的商用化鋪平道路。
圖1 完全垂直二維光柵耦合器示意圖
多極輻射模式與雙層級設計
1.多極輻射模式：從電偶極子到磁四極子
光柵耦合器的效率取決于其將光能定向輻射至光纖的能力，即“方向性”。傳統設計主要依賴電偶極子輻射，但方向性有限。
展開 市場 | 一文看懂硅基光電集成技術
硅光模塊有望逐步替代傳統光模塊
根據Intel的硅光子產業發展規劃，硅光模塊產業已經進入快速發展期，2022年，硅光子技術在每秒峰值速度、能耗、成本方面將全面超越傳統光模塊。
當前來看，硅光模塊的工藝難度大，封裝成本較高，在1.5~2美元/GB。但是傳統光模塊的成本在1+美元/GB，難以進一步降低，而硅光模塊的成本理論上有望降至0.3美元/GB，在規模量產情況下具有極強的成本優勢。
近些年，大量光通信龍頭企業涌入硅光技術的研發和產業化中，成果顯著。
5G時代網絡升級或逐步引入硅光技術
硅光技術有望突破當前光通信傳輸速率瓶頸。光通信系統的每一次升級，都有賴于新技術的引入。當前主流的100G網絡系統下，相干光通信技術和波分復用技術已被大量應用，隨著流量的繼續快速攀升，后續骨干網向400G、800G甚至1.6T演進，單模光纖100Tb/s的傳輸速度或成為門檻。
展開 光學的“納米尺度”進化，將拉開“消費光子”的序幕
和電子不同，光子具備并行、高速的特性。光路在空中交叉傳輸又互不干擾，同時光計算具有天然的并行性，可以在一個時段內同時進行多路計算，且自身能耗非常低，以目前方興未艾的人工智能來看，通過光子可以瞬時的實現卷積運算。也就是說，從未來科技發展與應用來看，光計算是有望代替電計算，演化為下一代高性能計算處理器。
但一直以來，對于“光機電算”四大工程領域中，光的體量不及電之萬一。從C端應用來看，光學的實現主要局限在幾何光學的設計理論范疇與冷光學的工藝制造范疇，比如鏡片、成像等，精度停留在亞毫米和微米級的范疇；從B端應用來看，光通訊領域最快的見證了“光”代“電”的趨勢，硅光子技術正逐步的使得光與電在加速融合。從未來趨勢來看，我們相信，在不久的將來：
1. 基于其物理特性，光必然會從“傳輸”領域逐步向“感知”領域、向“思考”領域逐步進化 ；
2. 伴隨光進入計算的范疇，光學的理論實踐將從幾何光學向波動光學、甚至更深遠的粒子光學升級；光學的工藝制成將從一直以來的冷加工向革新的工藝升級；
3. 光學組件的成本在終端的比重會超過50%；
4. 正如集成電路的興起引領了消費電子的浪潮，光學的進化也將拉開“消費光子”的序幕。
回溯消費電子的發展歷程，“納米尺度”與“規模性低成本”是集成電路技術使得電子進入消費級的兩大特征。與之類似，“消費光子”序幕的真正拉開也必將伴隨這兩大特征的訴求。縱觀目前光學的發展現狀：以硅光子技術為旗艦的有源光學近年來發展迅猛；但反觀體量更大、與消費級更息息相關的無源光學卻依然停留在傳統的“冷光學”體系
–元件尺寸、精度受工藝限制，導致應用局限。
實現“消費光子”，意味著光學也需要從微米精度踏入“納米尺度”、需要從精度越高成本越高的單體制成踏入“極大規模性低成本”制成，意味著在需要“晶圓”層面上實現光學設計與制成。
展開 Ansys與GF合作交付新一代硅光子解決方案，開啟數據中心新時代
Ansys攜手GlobalFoundries（GF）推出業界首款硅光子解決方案，以應對數據量的爆發式增長，同時顯著降低功耗
主要亮點
GF Fotonix?平臺在業界率先將優異的300mm光子技術與RF-CMOS技術集成在同一個硅晶圓上，實現規模化的超高性能。
Ansys與GF合作推出解決方案，助力增強數據中心、光網絡、超級計算、光纖、5G連接、航空航天與國防應用的光子設計能力。
針對采用Ansys行業領先的光子仿真工具的定制組件設計，Ansys和GF推出了創新性硅光子（SiPh）芯片設計工作流程。
由于能夠對采用Verilog-A建模的光子集成電路進行仿真，因此Ansys可支持GF Fotonix平臺，支持范圍包括結合定制組件與代工廠庫組件采用先進節點半導體技術的計算芯片的設計。
展開 Ansys與GF合作交付新一代硅光子解決方案，開啟數據中心新時代
Ansys攜手GlobalFoundries（GF）推出業界首款硅光子解決方案，以應對數據量的爆發式增長，同時顯著降低功耗
主要亮點
GF Fotonix?平臺在業界率先將優異的300mm光子技術與RF-CMOS技術集成在同一個硅晶圓上，實現規模化的超高性能。
Ansys與GF合作推出解決方案，助力增強數據中心、光網絡、超級計算、光纖、5G連接、航空航天與國防應用的光子設計能力。
針對采用Ansys行業領先的光子仿真工具的定制組件設計，Ansys和GF推出了創新性硅光子（SiPh）芯片設計工作流程。
由于能夠對采用Verilog-A建模的光子集成電路進行仿真，因此Ansys可支持GF Fotonix平臺，支持范圍包括結合定制組件與代工廠庫組件采用先進節點半導體技術的計算芯片的設計。
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Ansys與GF合作交付新一代硅光子解決方案，開啟數據中心新時代
Ansys攜手GlobalFoundries（GF）推出業界首款硅光子解決方案，以應對數據量的爆發式增長，同時顯著降低功耗
主要亮點
GF Fotonix?平臺在業界率先將優異的300mm光子技術與RF-CMOS技術集成在同一個硅晶圓上，實現規模化的超高性能。
Ansys與GF合作推出解決方案，助力增強數據中心、光網絡、超級計算、光纖、5G連接、航空航天與國防應用的光子設計能力。
針對采用Ansys行業領先的光子仿真工具的定制組件設計，Ansys和GF推出了創新性硅光子（SiPh）芯片設計工作流程。
由于能夠對采用Verilog-A建模的光子集成電路進行仿真，因此Ansys可支持GF Fotonix平臺，支持范圍包括結合定制組件與代工廠庫組件采用先進節點半導體技術的計算芯片的設計。
Ansys宣布與GlobalFoundries（GF）合作，交付獨特且功能豐富的創新型解決方案，以解決當前數據中心面臨的一些巨大挑戰。
隨著數據以前所未有的速度生成，全球各地數據中心的功耗也隨之激增，這導致人們更迫切地需要既能加快數據傳輸，同時又能優化能效的創新型解決方案。為滿足這種不斷增長的需求，GF著力開發突破性的半導體解決方案，利用光子而非電子的優勢來傳輸和移動數據，有助于GF在快速發展的光網絡領域保持領先地位。
GF Fotonix是GF在多方面均取得突破性進展的新一代單片平臺，在業界率先將優異的300mm光子技術與RF-CMOS技術集成在同一硅晶圓上，實現了規模化的超高性能。
展開 化學所李明珠研究員課題組和北航程群峰教授課題組合作Angew：仿生可變色的光子晶體硅彈性體剪紙藝術
近期，
中國科學院化學研究所李明珠研究員課題組和
北京航空航天大學程群峰教授課題組合作，受蜂鳥羽毛色彩調控機制的啟發，制備了一種
柔性、機械致動、具有光子晶體涂層的彩色PhC-PDMS kirigami薄膜，能夠實現全光譜色彩的精確控制，并且可實現10000次以上的循環。研究團隊利用激光切割技術將一種非對稱的陣列結構設計賦予到PDMS載體上，然后在PDMS上構筑了由單分散小球密堆積形成的二維光子晶體薄膜，得到了PhC-PDMS kirigami。由單分散聚合物小球組裝而成的二維光子晶體的光子晶體帶隙為贗帶隙，具有很強的角度依賴性。在單軸拉伸應力的作用下，剪紙結構中的矩形鱗片會隨著拉伸強度的增強從平面薄膜中翹起，剪紙結構從二維平面結構轉化為三維立體結構，同時薄膜鱗片的顏色從紅色轉變為藍色；當應力釋放時，薄膜可恢復為初始紅色。
圖2. PhC-PDMS kirigami的制備過程
當拉伸PhC-PDMS kirigami時，PhC矩形鱗片彈出角度與單軸拉伸載荷相關，僅需要27%拉伸量，彈出角度即可實現0°~ 46°的變化，當固定光源與觀測角度時，PhC矩形鱗片的顏色與彈出角度一一對應，從而薄膜色彩能夠在全可見光譜范圍內精確調控。由于在整個變色過程中，只是宏觀剪紙結構的變化，PhC矩形鱗片表面的納米周期結構并沒有改變，因此經過10000次循環，PhC矩形鱗片色彩仍然與初始狀態一致，并且能夠精確調控獲得目標顏色。
圖3.
展開 Lumerical案例| 基于漸變折射率透鏡的邊緣耦合器
在硅光子技術快速發展的背景下，光纖與芯片波導的高效耦合始終是制約系統性能提升的關鍵瓶頸。近期，Xu等科研人員在《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》發表的研究成果，為這一難題提供了創新解決方案——一種基于梯度折射率（GRIN）透鏡并輔以互補錐結構的邊緣耦合器 ，實現了標準單模光纖（SMF）與硅波導的低損耗、寬帶寬、偏振不敏感耦合，同時顯著簡化了制造工藝，為硅基光子芯片的實用化進程提供了重要支撐。
硅光子耦合技術的現狀與挑戰
硅基光子芯片憑借低延遲、高傳輸速率等優勢，成為5G、云計算等領域的核心載體。然而，硅材料無法集成片上光源，需通過外部光纖與片上波導耦合實現光信號傳輸。目前主流的耦合方式中，光柵耦合存在損耗高、偏振敏感等局限；傳統邊緣耦合雖性能更優，但在適配標準單模光纖（SMF，模場直徑10.4μm）時，常因模場失配導致損耗增加，且復雜結構（如多層、3Dtaper）加劇了制造難度。
基于漸變折射率（GRIN）透鏡的邊緣耦合器因工藝穩定、偏振不敏感等特性被寄予厚望，但傳統設計需數十層交替材料，如Loh 等人設計的邊緣耦合器需要40對Si-SiO?交替層，Lim 等人的設計需要20層以上，這無疑增加了制造復雜性和成本。如何在簡化結構的同時保持高性能，成為該領域的核心挑戰。
創新設計：GRIN透鏡與互補錐結構的協同優化
（一）整體結構：兩層協同實現高效模場轉換
該耦合器基于標準SOI晶圓（BOX厚度3μm，頂層硅220nm），由GRIN透鏡與互補錐結構組成，如圖1所示。GRIN透鏡含5層SiON薄膜，折射率自上至下遞增，將SMF的10.4μm模場垂直壓縮至3.5μm并聚焦于底層；互補錐結構由SiON錐與Si逆錐構成，進一步壓縮模場至硅波導尺寸，實現高效匹配。
展開 5/11東莞 |首屆泛半導體制程應用光子技術行業論壇將于第五屆光子技術應用行業論壇同期舉辦
隨著半導體工藝的進步和制造精度的提高，激光技術在泛半導體制程領域的應用也將更加廣泛，有望為半導體制造業帶來更高的生產效率和更優秀的產品質量。
近年來，國際形勢錯綜復雜，各國將半導體制造作為支持重點，國內也逐漸形成了產業鏈上下游的國產化趨勢。我國不斷推進高端裝備研發與制造，激光設備的市場需求也隨之不斷增加。根據CINNO Research數據顯示，預計 2024 年，中國激光設備市場規模將超過600億元，2021~2024年復合增長率達7%，中國激光設備行業發展前景廣闊。
在此背景下，炬光科技第五屆【光子技術應用行業論壇】將于2023年5月11日在炬光科技（東莞）基地隆重舉辦。炬光科技為全球高功率半導體激光器及應用領域具有影響力的公司和品牌，被中國光學學會激光加工專業委員會授予“高功率半導體激光產業先驅”稱號。本屆論壇以【創新·合作】為主題，聚焦光子應用前沿技術，共話光子應用未來。自2015年創辦以來，論壇已成為國內光子行業重要的國際化學術交流平臺，受到了與會嘉賓的高度認可。
為深入探討激光光學技術在泛半導體生產制造領域的應用，今年，炬光科技將聯手業界知名咨詢公司CINNO Research在第五屆【光子技術應用行業論壇】同期舉辦首屆【泛半導體制程應用光子技術行業論壇】，將邀請到多名國內及海外業界知名專家共聚一堂，打造國際化、權威性的產業盛事。專家們將從市場、技術、應用等方面分享多場主題報告，內容覆蓋半導體先進封裝技術、Micro LED巨量轉移技術、半導體制程與晶圓檢測、新能源汽車的激光應用等前沿技術應用。
我們誠摯歡迎來自泛半導體制程領域的專家、學者、企業家蒞臨，一起謀產業機會、促行業發展，共同探討光子技術在泛半導體制程領域的應用大局。
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