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芯片“光进铜退”将是大势所趋,硅光子技术有望实现规模商用

发表于:2019-02-15作者: 李亚东
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  摘要:硅光子技术是一项颠覆未来的技术,而基于硅光技术研制的硅光芯片是未来光通信的革新产品。其设计核心是“以光代电”,将光学器件与电子元件整合到一个独立的芯片当中,利用激光作为信息的传导介质,提升芯片间的连接速度。本文主要分析了硅光芯片的优势、市场定位及规模商用面临的技术难点。

  摩尔定律指出:当价格一定时,集成电路上元器件的数目大约每隔两年便会增加一倍,性能也将提升一倍。当今集成电路的发展已趋近于摩尔定律的极限,而硅光技术是延续摩尔定律的发展方向之一,通过硅光集成,用光代替电进行信息传输,将大大降低集成电路的成本。

  硅光芯片的优势

  目前,传统光模块主要是III-V族半导体芯片、电路芯片、光学组件等器件封装而成,其本质上还是属于电传输范畴。而随着晶体管的制造越来越小,传统三五族光芯片速率达到25Gbps时已趋近于传输速率极限。而高速高模块在数据中心中又有着大量的应用需求,在此背景下,硅光子技术应运而生。

  硅光技术使用硅和硅基做材料,利用现在的CMOS技术进行集成电路的制造。其不仅有集成电路的超大规模、高精度的特性,还有光子技术高速率、高稳定性、低功耗的有优点。

  硅光芯片是将硅光材料和器件通过特殊工艺制造的集成电路,主要由光源、调制器、有源芯片等组成,通常将光器件集成在同一硅基衬底上。硅光芯片具有集成度高、成本低、传输更好等特点,因为硅光芯片以硅作为集成芯片的衬底,所以能集成更多的光器件;在光模块里面,光芯片的成本非常高,但随着传输速率要求,传统晶圆材料成本同样增加,对比之下,硅基材料的低成本反而成了优势。

  硅光芯片的市场定位

  光芯片是光通信系统中的核心器件,电信号与光信号之间的相互转化是它的主要功能。未来随着5G时代的到来,传统芯片的传输速率达到极限,已经不能满足现代通信对更高传输速率和稳定性的要求,硅光芯片相比传统硅芯的性能更好,在通信器件的高端市场上,硅光芯片的性能更加明显。

  5G对流量的速度要求很高,同时 5G的密集组网对硅光芯片的需求大增。硅光芯片定位通信器件的高端市场,这是由于未来的5G将应用在生命科学、超算、量子大数据、无人驾驶等,这些领域对通讯的要求更高,零延时、无差错是最基本的要求。

  但目前国内高端光芯片和配套元器件依然需要从国外进口,国产替代率严重不足,这也是国家大力推进半导体产业的原因。2018年12月,工信部发布了《中国光电子器件产业技术发展路线图(2018-2022年)》,大力发展国产光电子元件,掌握关键核心技术,摆脱企业对国外产品的依赖。

  硅光芯片的产业化难题

  我国在硅光芯片的研发上已经取得了技术突破,科研院所与高校科研队伍也已经走世界的前列。可是从实验室到市场还有很长的路要走,国产硅光芯片的产业化还存在着设计架构、制造良率、封装成本、配套器件等方面难题。

  1. 硅光芯片在设计方面还面临着诸多问题,如架构不完善、性能与体积的匹配问题等。前端集成则面积利用率较低,工艺成本高;后端集成制造难度大,尤其是波导制备还很难完成;混合集成的成本与设计难度仍然不小。

  2. 硅光芯片制造工艺不统一、设备短缺。光学元器件对制造工艺要求更精确,些许偏差就有可能造成巨大问题,这对良品率与制造成本又是一大考验。

  3. 硅光芯片封装分为两大部分:光学封装和电学封装。从光学封装角度来说,因为硅光芯片所采用的光的波长非常的小,跟光纤存在着不匹配的问题,与激光器也存在着同样的问题;不匹配的问题就会导致耦合损耗比较大,这是硅光芯片封装与传统封装相比最大的区别。

  4. 硅光芯片需要的配套光器件很多,如调制器、陶瓷套管/插芯、光收发接口等,而这些光器件仍然面临技术不完善、制造成本高等问题。

  结语

  虽然硅光芯片产业面临着诸多困难,但不可否认它广阔的市场前景。现在所面临的一系列技术问题,正在慢慢得到解决。国内首款商用“100G硅光收发芯片”取得的突破性进展,预示着芯片层面的“光进铜退”将是大势所趋,硅光子技术实现规模商用化指日可待。


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