賦能光通信器件制造，全球首個硅光子代工工藝就緒

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/吳子鵬）光通信是以光波為載波的通信方式，根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，可分為大氣激光通信和光纖通信，產(chǎn)業(yè)鏈主要包含光通信器件、光通信系統(tǒng)、光通信應用三部分，其中光通信器件生產(chǎn)和測試是產(chǎn)業(yè)的上游環(huán)節(jié)。當前，光通信器件已經(jīng)和集成電路(IC)、分立器件、傳感器并列成為半導體產(chǎn)業(yè)四大分支。

從光通信器件的種類來看，主要分為有源器件和無源器件，前者主要是發(fā)光二極管（LED）、激光二極管（LD）、光電二極管（PIN）、放大器和調(diào)制器等；后者主要是光纖連接器、耦合器、光開關(guān)、光衰減器和光隔離器等。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢來看，未來光通信器件將主要以光集成技術(shù)（PIC）為核心，其中一大分支技術(shù)是基于III-V簇化合物半導體材料的光集成技術(shù)。通過硅光子學 (SiPho)技術(shù)，業(yè)界能夠?qū)鹘y(tǒng)用于CMOS集成電路上的技術(shù)經(jīng)驗轉(zhuǎn)移到光通信器件上。

近日，全球領(lǐng)先的模擬半導體解決方案代工廠高塔半導體（Tower Semiconductor）聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備公司瞻博網(wǎng)絡(luò)（Juniper Networks）推出全球首個硅光子代工就緒工藝，該工藝集成了III-V族激光器、放大器調(diào)制器和探測器。

III-V簇化合物半導體材料主要包括砷化鎵、磷化銦、氮化鎵等，III-V族激光器更多是有源器件，比如磷化銦便是一種主要用于實現(xiàn)通信波長大規(guī)模單片集成的材料。硅光子技術(shù)主要是利用現(xiàn)有CMOS 集成電路類似的技術(shù)來設(shè)計和制造光器件和光電集成電路。 目前，硅光子技術(shù)主要用于通信領(lǐng)域，正如高塔半導體所言，將率先解決數(shù)據(jù)中心和電信網(wǎng)絡(luò)中的光連接問題，后續(xù)將逐步擴展到人工智能 (AI)、激光雷達和其他傳感器等新興應用中。

據(jù)Omdia預測，2020至2024年全球數(shù)據(jù)中心資本開支年復合增速將達15.7%。數(shù)據(jù)中心內(nèi)光收發(fā)模塊將向400G演進，至2025年全球數(shù)據(jù)中心400G光模塊規(guī)模將達45億美元，未來數(shù)據(jù)中心光模塊將向800G及更高速率和光電共同封裝(CPO)等演進。高塔半導體援引市場研究公司 Yole的數(shù)據(jù)表示，數(shù)據(jù)中心的硅光子收發(fā)器市場預計將以 40% 的復合年增長率快速增長，到 2025 年將超過50億美元。 新平臺可將III-V族激光器、半導體光放大器（SOA）、電吸收調(diào)制器（EAM）和光電探測器與硅光子器件共同集成在一顆單芯片上。這使得更小、更高通道數(shù)，以及更高能效的光學架構(gòu)和解決方案成為可能。

根據(jù)官方發(fā)布的新聞消息，工藝設(shè)計套件 (PDK) 預計將在年底推出，首個開放式多項目晶圓 (MPW) 運行預計將于明年初推出。帶有集成激光器的完整 400Gb/s 和 800Gb/s PIC 參考設(shè)計的首批樣品預計將于 2022 年第二季度推出。

高塔半導體首席執(zhí)行官 Russell Ellwanger 表示，“現(xiàn)在可以將 III-V 族半導體的優(yōu)勢與大批量硅光子制造相結(jié)合。作為獨一無二的開放市場、集成激光硅光子學平臺，并且比任何潛在的代工競爭者都擁有多年優(yōu)勢，我們正在共同為我們的行業(yè)和整個社會創(chuàng)造具有真正獨特價值的突破性產(chǎn)品。” 更高通道數(shù)的取得對于光通信器件的發(fā)展是一大利好消息，過往磷化銦（InP）和砷化鎵（GaAs）等稀有金屬材質(zhì)制成的光芯片在通道容量上有著較為嚴重的制約。

同時，高塔半導體新平臺的出現(xiàn)解決了產(chǎn)業(yè)界的另一個難題，那就是由于激光器在各核心器件中失效率較高，導致“光電合封”芯片的良率普遍不高，而按照代工的傳統(tǒng)經(jīng)驗，目前高塔半導體的前期工藝已經(jīng)就緒，因此能夠在硅光器件的良率上助力產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展。 同時，該代工方案的推出也預示著產(chǎn)業(yè)發(fā)展進入了下一階段，過往更主流的方案是混合集成方案，也就是采用分立貼裝或晶圓鍵合等不同方式將三五族的激光器與硅上集成的調(diào)制器、耦合光路等組裝在一起。很顯然單片硅光方案在集成度、易用度、能效、成本等方案都更具優(yōu)勢，同時在帶寬和傳輸速度方面也定然會更上一個臺階。而400Gb/s光子集成電路方案預計將進一步加快400G技術(shù)在各行業(yè)的普及，800Gb/s PIC 參考設(shè)計幫助產(chǎn)業(yè)加速進入800G范疇。