IEEE器件封装和制造技术学会光电技术委员会主席Gnyaneshwar Ramakrishna说,光电集成领域曾在2000年初成为研究热点,但随后沉寂。现在光电技术正大规模回归,已为数据中心提供长距离下25Gbps、短距离下100Gbps的数据传输能力。模块级光电器件需求强烈,如何实现板级集成是现阶段的研究热点。从目前看,无人知道该技术能走得多远,或者什么时间会出现封装级或芯片级光电集成器件产品。
Ramakrishna说,“实现芯片级是每一个人的梦想,要实现这个梦想,必须研发出相应的架构和技术。目前这些基本组成部分还都在发展中,相配套的供应链和生态系统有待建立,这些都需要时间。”
光信号转换为电信号转换需要耗费更多的能量和时间,并限制了信号传输的速度。目前已有研究人员在研究光信号的处理和存储,但大多数专家认为,在这个方法实现之前还需要数年的时间,而且即使到了那个时候,是否具有成本优势还需要讨论。光电集成将优先于全光集成,也同时为后者的发展做准备。
格罗方德的首席执行官(CEO)Sanjay Jha说,硅基光电集成器件产业规模将达到330亿美元到350亿美元,并在车内和服务器海量数据通信需求的推动下加速上涨。
2015年7月,美国政府在纽约成立“美国光电集成制造中心”(AIM Photonics),重点研发与光电集成制造技术相关的设计工具、自动化封装、组装和测试等。截止目前,除了联邦政府提供的1.1亿美元外,纽约、加利福尼亚州和马萨诸塞州三个州也投入了资金,私人投资也在同步增加,现有资金支持总量已经超过6亿美元。
该领域目前的领军企业是思科(Cisco)、英特尔(Intel)和IBM,但只有思科将该技术应用到了多个产品。
思科硅基光电研发工程部总监Kaushik Patel表示,要能真正对主流价格敏感的硅基电子器件市场形成冲击,必须解决两个重要问题,一是要有更好的方式,以解决制造激光器所用Ⅲ-Ⅴ族材料与硅CMOS工艺不兼容的问题,实现激光器在硅平台上的集成,目前的做法是在量子点上生长激光器;二是要有能够有效耦合光子的方法,以延长激光器的寿命。
在数据中心中,光纤光缆可用于传输光信号,同样的方式也可用于连接2.5D封装中的电信号芯片和光信号芯片。2.5D封装将是首先实现的芯片级光电集成的方式,其中除了电信号芯片和光信号芯片外,还包括中介层,光电转换或发生在进入标准硅中介层之前,或发生在信号到达光电中介层另一端之后。
Sonics的首席技术官(CTO)Drew Wingard说:“在芯片上实现光电转换可能难以超越全电互连的性能,因为需要为转换中的延迟设置一个合理的距离才能有意义,考虑到2.5D封装中介层的布线密度,为延迟而进行的布线本身就将是一个问题。”截止目前,包含电和光芯片的2.5D封装集成还未实现商业化,而且似乎在近期也很难实现。
Mentor的Pyxis集成电路工作站产品市场经理Chris Cone说:“目前有很多人在从事硅基光电集成器件研发,包括采用创新传感器结构的初创公司。”Cadence的知名工程师Gilles Lamant表示:“硅基光电集成器件对无晶圆设计企业具有非常大的吸引力,因为是其已在做内容的一个延伸,但对代工厂来说,除非他们已有SOI工艺,否则将不感兴趣。”
Cadence的Lamant说,光仿真与电仿真不同,而且没有标准化的仿真方式。截止目前,设计工具的自动化程度很有限。Cadence已经取得些进展,光学(时域和频谱)已可在同一原理图下和电学一同仿真,并从该原理图实现布线和验证。
光路布线是一个非常大的挑战,也是EDA公司集中努力的地方。Mentor的Cone说:“从拓扑结构上,你需要用波导连接所有的事情,你可以在硅或外延层上刻蚀形成波导,但是你需要退火使其侧壁光滑以实现光传输。不同的一点是你可以交叉波导而不会引起短路,因为光子不会像电子那样相互作用。”Mentor已经建造了整个光电工作流,包括开发工具包、验证和光刻仿真,但目前该业务发展缓慢。
硅基光电集成是一种可以更高效率、更安全地传输更多数据的方式,但是要实现大面积应用必须将价格降下来。上述所有努力都是为了提高硅基光电集成器件产业的效率和规模经济,正如指引半导体产业发展的摩尔定律。摩尔定律不是关于“微缩”的定律,而是有关晶圆上包含更多芯片的经济效益定律。
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