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硅光时代的“隐身”英雄

时间:2021-09-01 作者:邵乐峰 阅读:
连接、传感和计算是硅光子最主要的三大应用领域。其中,发展最成熟的是包含数据中心互连收发器在内的连接领域,涉及数据中心、高性能数据交换、长距离互联、5G基础设施等多个热门行业,许多顶级厂商,如阿里巴巴、腾讯、华为等纷纷入局。
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据Yole Development估计,硅光光模块市场将从2018年的约4.55亿美元增长到2024年的约40亿美元,复合年增长率达44.5%。而LightCouting的数据则显示,到2024年,硅光光模块市场市值将达65亿美金,占比高达60%,而在2020年,这一数字仅为3.3%。

 2017-2023年全球光模块市场规模及结构预测(资料来源:Lightcounting)

连接、传感和计算是硅光子最主要的三大应用领域。其中,发展最成熟的是包含数据中心互连(DCI)收发器在内的连接领域,涉及数据中心、高性能数据交换、长距离互联、5G基础设施等多个热门行业。

以超大型数据中心为例,根据Equnix的数据,2017年-2021年全球互联网带宽容量的年复合增长率达到了48%,2020年开始正式进入400G时代,并有望于2022年进入800G时代。届时,将有数百万个400GbE+的硅光子收发器与数十万台服务器互连,并将通过新型低延迟的DCI架构扩展AI的边缘,提升高性能计算的算力。

得益于硅光子技术对提高网络设备的密度和能效起到的至关重要的作用,到2024年,硅光收发器(包括基于III-V化合物半导体和硅光的模组)将有望占据40亿美元市场的大部分,年复合增长率高达44.5%。

而在高性能计算领域,受限于“I/O功耗墙”,计算资源正在快速接近电气性能的物理极限,使得“从电气I/O迁移到光互连I/O”的呼声日益高涨,因为只有硅光技术能够在片上互连、片间互连应用中实现Pb/s量级的传输速率。

5G核心骨干网中的情形也大抵如此。由于5G网络接入层接口速率已经从6G/10G提升至25G;汇聚层接口速率从25G/50G提升至50G/100G;核心层接口速率从100G/200G提升至200G/400G,逐步引入硅光子技术,对确保实现高速度大容量的数据传输至关重要。

“豪门盛宴”的背后

鉴于硅光技术能够为终端用户带来诸多益处,许多设备制造商,如阿里巴巴、腾讯、华为以及其他数据服务领域的顶级厂商纷纷入局。但你可能有所不知,如果没有下面这家公司,这场顶级玩家之间的“豪门盛宴”,可能不会像如今这样气势恢宏。

它,就是Soitec。

作为设计和生产创新性半导体材料的全球领先企业,该公司基于SOI技术研发的硅光衬底Photonics-SOI,正成为助力破局硅光时代的一把利器。

Soitec全球业务部光子材料专家Corrado Sciancalepore日前在接受《电子工程专辑》独家专访时表示,Photonics-SOI衬底具备原子级平滑的硅晶体层,可使光在一定的波长范围内通过亚微米级的光波导。如果用更形象的语言描述,就是在红外波长(>1.1µm)下,晶体硅会变为透明,设计人员可以对这一薄层上进行构图,以获得亚微米级的光波导,而上覆层和下覆层的氧化物则提供了强大的光学限制,可在极小的尺寸上传导光在芯片上的传播。

SOI材料的高折射率对比度可以将光学收发器内的所有结构都整合在一颗芯片上,例如激光集成、输入/输出(I/O)耦合器、高速调制器、光电检测器和波长复用器,从而在赋能硅光器件高效率、低延迟、高可扩展性的大批量数据传输的同时,大幅降低器件整体尺寸和功耗,达到节约成本的目的。同时,使用硅光时,频宽更大的芯片灵活度也更高。例如和传统方案相比,Photonics-SOI可以更轻易地在改变频宽的时候加宽光频。

从下图可以看出,在SOI的结构中,氧化埋层必不可少。如果没有氧化埋层,就无法对光波导中的光线进行很好的隔离、反射和控制,也无法实现硅光。也就是说,当把光学I/O整合在一起时,它就不再只涉及光学,还会涉及CMOS驱动控制器,要把这些电阻、控制电路、光学都整合在一起,SOI就是必须的。官方数据显示,Soitec可为硅光领域的客户提供200mm和300mm两种规格的Photonics-SOI产品,其氧化埋层厚度约为0.6-2µm,顶硅厚度约为0.1-0.5µm。

最后,由于需要将光学技术应用于核心电子设备,SOI功能经过了深度的优化,超越了标准可插拔收发器的要求,利用围绕CMOS高要求处理器的光学小芯片,实现硅光子与硅电子的单片共集成(co-integration)。

“选择硅光的理由主要是因为它具备CMOS和光学的双重优势。”Corrado指出,CMOS技术具有高密度、低成本、高产能、生态系统成熟等特点,这些特点既可以进行芯片化的整合,也便于进行逻辑功能的整合;而光学器件功耗低、抗噪性强、频宽高,可以将众多光谱集成至同一块芯片,加之整个光纤系统非常成熟的基础设施,通过SOI技术将硅光和CMOS的优势整合在一起,是一件“非常自然的事情”。

如前文所述,从市场趋势的角度分析,100G可插拔式收发器当前已经大规模量产,从2021年开始,400G可插拔收发器逐渐在市场上崛起,也即将进入大量生产的阶段。这揭示了硅光器件未来的两大趋势:共同封装与芯片整合。前者是通过TSV封装的形式,将CMOS芯片与光学芯片整合在一起;后者则是完全形成单芯片解决方案,不再需要任何铜线连接,主要应用于光学的输入和输出。

在被问及两大趋势有可能出现的时间点时,Corrado回应称,他认为2025年市场上会开始推广采用共同封装技术的硅光器件,2026年实现量产;2027年左右完成整合,成为单芯片,2029年实现量产。但他提醒业界说,这一判断并不意味着共封装光学在2025年就会成为行业主流,那时的主流方案可能还会是400G可插入式收发器。

比发丝还细的铜线成为了制约硅光器件发展的瓶颈。目前,超过200G的铜线传输技术仍然难有突破,尽管一些数据交换中心供应商和生态系统里的主要玩家,比如博通、Intel、Facebook和微软都已经公开发布了他们在共同封装和高度整合硅光领域的研发进程,但总体来看,CMOS的集成仍然是成本居高不下的主要原因。原因在于当与CMOS器件进行集成时,整体开发工艺需要与电子元件、电子器件的开发同步,导致市场初期需求量少,产量低,成本高,随着技术的普及、产品的接受度和制程成熟度的提高,产品的合格率会上升,成本也会进一步下降。

蓄势待发的消费者医疗保健市场

除了数据中心,硅光技术还能广泛应用于消费者医疗保健市场,这一点可能出乎很多人的意料。根据市场研究公司Yole Développement的预测,在2026年前,可穿戴医疗设备的市场预计将以两位数的复合年增长率增长。确切地说,2024年可穿戴设备总市场规模预计将超过350亿美元,同比增长27%。Photonics-SOI解决方案如何发挥在SOI上应用光子学的关键优势,赋能先进、成本合理的无创医疗监测,为人们的健康保驾护航,成为市场的一大看点。 

在包括基于光子学、MEMS和电化学FET等众多生物传感器技术的激烈竞争当中,面向医疗保健监测的光学技术之所以能够脱颖而出,源于光可以照射到组织和血管上以监测、检测和量化生物标记,因此光子学可以赋能无创医疗监测解决方案,用于低成本、小尺寸的医疗设备和面向消费电子市场的可穿戴设备。

更具体地说,在绝缘体上硅(SOI)材料平台上制造的硅光子集成电路利用了高度成熟的CMOS技术生态系统。相对先进的加工和封装技术可以基于关键生物标记的光学读出实现芯片实验室(lab-on-a-chip)生物传感系统的集成。

与应用于数据中心的硅光器件原理类似,SOI技术采用创新的Smart Cut工艺,通过堆叠超薄(从10纳米到几微米)且极其均匀的硅晶体层实现精良晶圆的开发,这是传统微电子技术无法实现的。此外,设计人员还可以对这一薄层进行构图以获得亚微米级的光波导,而氧化埋层则提供了强大的光学限制,可以在极小尺寸内实现芯片上的光路由。

值得注意的是,从基础独立设备到复杂的电路,SOI平台的高折射率对比度均允许其在小型封装中实现高级光学功能,诸如激光源、分束器、光谱仪、光电探测器和波长复用器等基础构件,可以轻松实现在同一片SOI上进行单片制造,从而提供具有先进功能的完全集成光学系统。

Corrado表示,传统解决方案依赖昂贵且异构的分立式多元件组装,例如基于III-V族氮化物半导体的LED、激光器和光电探测器。相比较而言,芯片级光学传感优势极为显著。而且,先进的半导体微加工技术可以实现芯片实验室组件的最小化。这些进步使硅光生物传感器在医疗诊断方面取得了重大进展。

而SOI光子学将继续为之发展做出贡献,它为结合了干涉仪、布拉格光栅、微腔和基于光子晶体的波导传感器的微流体学和光谱生物传感技术提供支持,助力其发展。SOI驱动的光子学平台还支持广泛的传感机制,为基于无标记检测的真实生物标记提供分析物检查。此外,芯片实验室光子传感平台还可以实现光学设备、微流体传输通道和读出设备的单片集成。

如果专就无创光谱生物传感而言,众所周知,晶体硅在短波红外线(>1.2µm)下会变得透明,它可以解析从近红外光到远红外光的光谱和光频资源,并且可以通过改变光谱和频率达到广泛的生物标记测量。这就好比在监测体内酒精含量的同时还能监测血压、心跳和其他体征,而使用独立元件的传统技术就无法达到所需光谱的广度。这实际上将生物传感的能力扩展到了更大范围的生物标记,远远超越了目前消费者可穿戴设备中用于基本心率或血氧浓度监测的可见光和近红外光。

另一方面,针对医疗和消费类电子终端市场的持续医疗保健监测对低成本、可工业扩展光学解决方案的需求持续增长。SOI硅光子解决方案可通过皮肤实现精确、无创的光学读出和关键生物标记监测。而且,它能够结合健康追踪和基本医疗保健监测功能,例如测量心率、血氧和血糖浓度,以及更先进的临床诊断和癌症预防筛查工具。

在SOI上应用光子学的关键优势之一是,它能够将数十或数百个不同的波长复用到一个硅光子电路中,通过无创吸收或反射光谱技术在大光谱范围内对广泛的生物标记进行监测。最后,通过利用CMOS工艺制造硅光子生物传感产品,SOI系统级芯片封装展示出了实现低成本、大批量、便携式生物传感平台产业化的潜力。

除了上述基于Smart Cut的Photonics-SOI衬底以外,Soitec还提供Smart Stacking、Epitaxy、以及将Smart Cut SOI和硅外延再生相结合的SOI+EPI技术,其产品面向总厚度仅几微米的顶层硅。

“其实,Soitec这几年不再只提供材料,还通过对客户应用的理解向他们提出建议,并商讨他们所需要的规格。凭借多年的技术和实力沉淀,Soitec能够根据不同规格,配合包括中国在内的全球用户需求来开发各自所需的客制化产品,这一点非常重要。” Corrado说。

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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