本文转载自@@@@：内容由半导体行业观察@@（ID：icbank）编译自@@@@imec，谢谢@@。
在@@早前于格拉斯哥举行的@@欧洲光@@通信会议@@ (ECOC) 上@@，比利时根特大学@@ IMEC 研究小组@@ IDLab 的@@一组研究人员展示了@@一种光@@接收器@@，可实现总数据速率为@@ 200 Gbps。他们的@@方法结合了@@ SiGe BiCMOS 行波电子@@集成@@电路和@@硅光@@子@@锗光@@电探测器@@，不仅提供了速度@@，而且还提供了可扩展性@@，这是我们想要满足爆炸性数据速率需求的@@两个先决条件@@。
从人工智能到云计算和@@@@5G：数据密集型应用正在@@进入不同行业和@@我们日常生活的@@许多方面@@。为了满足当今@@，尤其是未来@@的@@数据处理需求@@，数据中心将需要以@@越来越高的@@速度运行的@@光@@通信网@@络@@。
“目前@@，性能最高的@@光@@数据通信收发器@@运行速度高达@@ 800 Gbps，例如@@使用@@ 8 x 100 Gbps 通道@@，但该领域正在@@设想将通道@@容量加倍至@@ 200 Gbps，以@@降低收发器@@的@@复杂性@@、成本和@@功耗@@，同时改进@@imec IDLab 高速收发器@@项目@@经理兼根特大学教授@@Peter Ossieur说@@道@@。
Ossieur 领导着一个研究团队致力于光@@子学应用的@@高速集成@@电路@@。他的@@团队现已通过将行波@@ SiGe BiCMOS 跨阻放大器与@@硅光@@子@@@@ Ge 光@@电探测器联合集成@@@@，实现了@@ 200 Gbps 的@@总数据速率@@。
除了速度之外@@，主流@@ SiGe BiCMOS 的@@使用使该技术@@更具可扩展性@@，因此价格也更实惠@@。“达到这种速度的@@替代方案是@@ InP 电子@@技术@@@@，这是一种更昂贵且可扩展性较差的@@技术@@@@@@，”Ossieur 说@@。“SiGe BiCMOS 使我们能够集成@@更多功能@@，并且芯片的@@生产量也可以@@更高@@。”
如果光@@收发器@@要跟上@@爆炸性的@@数据速率@@，所有构建模块都需要处理更高的@@速度@@。该团队展示了@@他们在@@使用来自@@@@imec集成@@硅光@@子@@平台@@（iSiPP）的@@硅光@@子@@@@Ge光@@电探测器的@@设置中取得的@@成果@@，该探测器针对电信@@、数据通信和@@医疗诊断行业@@。
imec 研究员兼光@@学@@ I/O 项目@@总监@@ Joris Van Campenhout 表示@@：“新型光@@学接收器代表了@@imec 为满足@@ 200Gbps 及以@@上@@应用要求的@@硅光@@子@@@@平台@@做好准备@@而采取的@@众多步骤之一@@：
“这些最新结果代表了又一个数据点@@，展示了@@imec的@@硅光@@子@@@@平台@@（iSiPP）以@@200Gbps通道@@速率运行的@@能力@@，这是即将推出的@@可插拔和@@联合封装光@@学器件的@@关键要求@@。”。
该工作得到了欧盟@@ Horizon 2020 项目@@ POETICS（编号@@ 871769）和@@ NEBULA（编号@@ 871658）的@@支持@@，并将在@@欧洲光@@通信会议上@@展示@@。
硅光@@子@@，将扮演重要角色@@
光@@能够以@@相对较低的@@功耗传播高数据速率@@，是一种极好的@@信息载体@@。几十年@@来@@，硅一直是半导体技术@@的@@基石@@。把这两者结合在@@一起只是时间问题@@：一种利用光@@能的@@技术@@@@@@，使用将微电子@@技术@@@@推向高峰的@@同一平台@@。毕竟@@，既然已经投入了数十亿美元@@来完善用于制造微电子@@的@@材料和@@工艺@@，为什么还要重新发明轮子呢@@？
于是硅光@@子@@学诞生了@@。首次探索于@@ 1980 年@@代@@，并在@@世纪之交开始获得动力@@，到现在@@为止@@，该技术@@已实现批量商业化@@。事实证明@@，它在@@数据中心越来越受欢迎@@，其中基于硅光@@子@@学的@@收发器@@支持服务器之间的@@光@@学连接@@。
随着@@世界对数据的@@渴望与@@日俱增@@，以@@及对降低能源消耗的@@渴望@@，该技术@@有望在@@未来@@十年@@内迅速发展@@。市场研究机构@@ Yole Group 预计@@，2021 年@@至@@ 2027 年@@，硅光@@子@@市场的@@复合年@@增长率@@ (CAGR) 将达到@@ 36%，届时将达到@@近@@ 10 亿美元@@。
Imec 开发的@@混合@@ CMOS-硅光@@子@@收发器@@原型@@
虽然这种增长的@@主要驱动力是数据中心内的@@通信@@，但预计@@新兴应用程序将不断涌现@@。硅可能会用于距离越来越短的@@数据交换@@，并最终用于同一系统中芯片之间的@@数据交换@@。该技术@@也正在@@作为汽车激光@@雷达的@@基础平台运行@@，允许自@@动驾驶汽车在@@道路上@@行驶@@，或@@者至少帮助司机避免碰撞@@。
“硅光@@子@@是在@@@@ 300mm 标准半导体晶圆厂生产的@@@@。这意味着它可以@@通过严格的@@规格和@@质量控制以@@及可靠的@@物流进行生产@@。这抵消了它的@@一些局限性@@，并使其成为与@@激光@@等其他技术@@相结合的@@有吸引力的@@基准@@，”Photondelta 首席技术@@官@@ Carol de Vries 解释道@@。他补充说@@@@，初步的@@市场预测表明@@，硅光@@子@@无论是单独使用还是与@@其他集成@@光@@子学平台结合使用@@，都将继续存在@@@@。“预计@@到@@ 2040 年@@，它的@@市场份额将达到@@@@ 45%。”
传统上@@@@，硅光@@子@@ (SiPh) 被理解为基于主导常规电子@@电路的@@材料的@@集成@@光@@子学@@：硅和@@氧化硅@@（二氧化硅@@）。在@@科学文献中@@，这种类型的@@集成@@光@@子学通常称为绝缘体上@@硅@@ (SOI)，该术语也用于特种半导体技术@@@@。
从这个严格意义上@@讲@@，SOI 可能是三成员集成@@光@@子学家族中最有限的@@技术@@@@@@，该家族还包括@@基于氮化硅@@(SiN) 和@@磷化铟@@(InP) 的@@技术@@@@。由于其间接带隙@@，硅无法产生增益或@@激光@@@@，即该材料不能用于构建有源@@188足彩外围@@app ，例如@@光@@源和@@放大器@@。SiN 也是如此@@，但这种材料比@@ SOI 具有更低的@@光@@损失和@@更宽的@@光@@谱覆盖范围@@。
InP 是唯一可以@@在@@没有外部帮助的@@情况下执行所有功能的@@半导体@@，但在@@损耗和@@光@@谱覆盖方面也有@@ SOI 的@@缺点@@。如果仅作为光@@源@@，Si 和@@ SiN 平台通常都依赖于与@@@@ InP 的@@某种形式的@@集成@@@@。最好的@@方法是特定于应用程序@@。
当然@@，SOI 的@@特性足以@@满足许多有趣的@@应用@@。光@@可以@@有效地进出芯片@@，并且可以@@使用重要的@@无源@@188足彩外围@@app ，例如@@千兆赫级调制器和@@光@@电探测器@@。除此之外@@，还可以@@利用数十年@@的@@硅加工经验@@——300 毫米晶圆@@、高良率@@、与@@ CMOS 的@@协同集成@@@@、各种先进的@@@@ 3D 集成@@技术@@@@——硅光@@子@@的@@发展空间@@很大@@。
然而@@，越来越多的@@人将@@ SiPh 解释为可以@@在@@@@ CMOS 晶圆厂中制造的@@任何类型的@@集成@@光@@子@@。在@@那种情况下@@，SiPh 和@@ SiN 变成一个单一的@@实体@@，因为后者也与@@@@ CMOS 兼容@@。但有一个警告@@，Imec 硅光@@子@@研究员@@ Joris Van Campenhout 解释说@@@@。“制造具有极低光@@损失的@@高端@@ SiN 波导需要高热预算@@。这可能与@@共同集成@@其他功能不兼容@@@@。”
保持@@ CMOS 兼容@@性通常会受到限制@@。Van Campenhout指出@@：“CMOS 制造环境受到严格控制@@。某些材料是被禁止的@@@@，包括@@ InP 和@@其他@@ III-V 族半导体@@。” 另一方面@@，CMOS 的@@戒律并非一成不变@@。在@@过去的@@几十年@@里@@，晶圆厂引入了几种新材料来保持@@摩尔定律的@@运行@@。“如果你有强大的@@商业案例@@，一切皆有可能@@。然而@@，目前@@还没有任何集成@@光@@子学应用程序能够产生能够保证主流@@晶圆厂进行此类调整的@@体积@@。”
然而@@，Van Campenhout 指出@@，未来@@的@@用例需要@@ SiPh 引入新材料@@，以@@不断改进性能和@@成本@@。例如@@，随着@@数据中心收发器@@中的@@信号速率超过@@ 200 Gb/s，实现足够的@@调制器带宽和@@可接受的@@光@@损失变得具有挑战性@@。这些障碍只能通过在@@混合物中引入新材料@@来消除@@。“用新材料和@@新功能丰富@@ SiPh，同时保持@@最大的@@@@ CMOS 兼容@@性是一个很好的@@机会@@。”
通过在@@前端处理环境之外@@（即后端生产线@@）集成@@“禁用@@”材料或@@包含这些材料的@@组件@@，可以@@在@@遵守@@ CMOS 规则的@@同时引入新材料@@@@。“今天@@，尚不清楚什么是最合适的@@整合水平@@，以@@及何时会大规模发生@@。除了数据和@@电信@@，应用研究仍处于起步阶段@@。您需要集成@@哪些功能@@？需要什么规格@@？对于广泛的@@应用@@，这些是我们仍然无法回答的@@问题@@。尽管如此@@，我认为可以@@公平地说@@@@，随着@@ SiPh 获得关注@@、商业模式稳固和@@市场拉动增加@@，界限将证明不会像以@@前想象的@@那么难@@。”
带有倒装@@ InP 激光@@二极管的@@@@ 300 毫米硅光@@子@@晶圆@@
从历史上@@看@@，光@@通信链路变得越来越短@@，从连接大陆到家庭和@@办公室再到数据中心内的@@服务器@@。它们会变得更短@@，在@@ 1-10 厘米范围内@@，因为芯片之间的@@电气连接开始失去动力@@。
目前@@，这个问题在@@高性能计算应用的@@高端最为紧迫@@。例如@@，Nvidia 的@@“一体机数据中心@@”结合了八个强大的@@@@ GPU 和@@大量内存来处理要求苛刻的@@机器学习和@@数据科学工作负载@@。该系统的@@性能取决于处理器和@@内存能否快速有效地交换数据@@。Van Campenhout 估计@@，根据当前的@@电气互连速度@@，它们将在@@两代或@@三代后成为瓶颈@@。
Van Campenhout 自@@ 2014 年@@以@@来一直担任@@ Imec 光@@ I/O 研发项目@@的@@主管@@。在@@过去的@@十年@@中@@，他的@@研究重点倾向于数据通信和@@电信应用@@，但最近@@，行业对短距离光@@互连的@@兴趣急剧增加@@，他说@@@@. “许多公司@@，包括@@几家资本充足的@@初创公司@@，都在@@寻求积极部署深度集成@@的@@短距离光@@互连@@，以@@提高@@其高性能计算系统的@@性能@@。”
除了其位于鲁汶总部的@@光@@学@@ I/O 研发计划和@@@@ SiPh/SiN 原型设计服务之外@@，Imec 还在@@荷兰启动了一系列面向应用的@@硅光@@子@@@@活动@@。该合作由国家增长基金共同出资@@，并与@@@@ TNO 和@@ Photondelta 生态系统的@@其他合作伙伴合作@@，将重点关注埃因霍温霍尔斯特中心的@@激光@@雷达和@@激光@@设计以@@及瓦赫宁根@@ Oneplanet 的@@农业食品应用@@。
“看到荷兰经济部与@@国家增长基金@@ Photondelta 的@@投资真是太棒了@@。这种财务冲动至关重要@@，因为该行业在@@全球范围内都处于投资阶段@@。此外@@，这些资助机制也促进了合作@@。
Photondelta 提供了一个极好的@@机会来加强霍尔斯特中心内部与@@本地合作伙伴和@@跨境合作@@，”Imec 研发副总裁兼霍尔斯特中心@@ Imec 总经理@@ Kathleen Philips 评论道@@。
“在@@ Imec NL，我们专注于设计更完整的@@光@@子系统@@，包括@@电子@@和@@算法@@。我们不仅在@@构建块上@@进行创新@@，还特别致力于通过连接各个学科来创建差异化的@@@@ IP。应用领域是农业食品和@@健康@@，以@@及数据通信和@@汽车激光@@雷达@@。此外@@，霍尔斯特中心的@@新系统设计活动在@@我们在@@比利时的@@长期光@@子技术@@活动与@@在@@海尔德兰@@ Oneplanet 的@@光@@子应用研究之间架起了一座桥梁@@。”
未来@@，这项技术@@可能会渗透到更通用的@@应用程序中@@。例如@@，领先的@@芯片制造商非常重视将他们的@@芯片@@“划分@@”成多个@@ IC，每个@@ IC 都有专门的@@功能@@（CPU、I/O、高速缓存等@@）。特别是在@@这种情况下相对较长的@@距离@@，铜线可能无法胜任这些小芯片的@@互连工作@@。
这将需要进一步提高@@带宽和@@功率效率@@。在@@ Imec 的@@路线图中@@，目标是每两年@@将光@@学子系统的@@带宽加倍并将每比特功率减半@@。正如@@ Van Campenhout 已经解释的@@那样@@，这将需要引入可能@@“破坏@@”CMOS 兼容@@性的@@新材料@@。但是@@，如果有一个商业案例可以@@应对这一挑战@@，那么它很可能是芯片间光@@互连@@。“这将是一段激动人心的@@旅程@@，”Van Campenhout 说@@。
参考链接@@：https://www.imec-int.com/en/press/200-gigabits-second