汽車和消費應用正受益于硅光技術(shù)

硅光（SiP）已經(jīng)受益于通信行業(yè)的強力推動。通過利用業(yè)界龐大的CMOS和相關(guān)的大批量硅工藝、材料和封裝專業(yè)知識，SiP正在超越電信和數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，將硅制造的經(jīng)濟和性能帶到汽車和生物技術(shù)應用中。

隨著全球經(jīng)濟陸續(xù)從新冠疫情中復蘇，以及世界各地經(jīng)濟活動的節(jié)奏加快，寬帶連接的重要性不言而喻。各國都在擴大其寬帶覆蓋范圍，用戶亦需更高的數(shù)據(jù)速率，以滿足他們不斷增長的視頻和應用需求。由此導致過去十年數(shù)據(jù)流量激增。曲線顯示了思科網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)對未來十年的推斷，這是一個必然的結(jié)論；數(shù)據(jù)流量很大，而且增長很快。

紅色曲線表示IP (Internet Protocol)數(shù)據(jù)流量，表示所有的傳輸數(shù)據(jù)，無論這些數(shù)據(jù)是通過無線網(wǎng)絡(luò)還是有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)摹＿@一數(shù)據(jù)推斷預測，在預測期內(nèi)，預測流量將增加125倍。更令人印象深刻的是藍線所顯示的數(shù)據(jù)量。這條曲線表示數(shù)據(jù)中心的預期數(shù)據(jù)流量。這種短距離的數(shù)據(jù)流量是IP數(shù)據(jù)的5到6倍，它反映了數(shù)據(jù)通信的重要性日益增加，因為我們越來越適應云計算，家庭成為我們與世界許多互動的中心。

這種通信活動的規(guī)模正變得越來越清晰。隨著5G無線標準的出現(xiàn)，手機終端數(shù)量將超過10億臺，整個電子產(chǎn)品市場也將受到影響。有報告稱，光模塊總出貨量將在未來5年內(nèi)達到10億，數(shù)據(jù)中心端口年出貨量將在未來幾年超過6000萬。

這種通信技術(shù)的需求，對硅光和光集成電路(PIC)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展和成熟中起到了推動作用。雖然目前的通信需求推動了光學市場，但該行業(yè)正在關(guān)注其他快速增長、大批量的應用，這些應用可以從器件和網(wǎng)絡(luò)中更多的光產(chǎn)品中受益。

硅光

光器件面臨著與電子器件相同的壓力，即體積更小、價格更低、性能更好以實現(xiàn)更多的功能。面對這些挑戰(zhàn)，光學元件制造商采用的是更多的一體化方案。光集成電路設(shè)計和制造技術(shù)隨著組件發(fā)展方向的發(fā)展，在光模塊中包含更多的電氣和光學功能。這些模塊是直接和相干檢測方案的混合體，這意味著需要各種化合物半導體來優(yōu)化線性功能，同時還需要越來越多的數(shù)字硅來提高性能特性。

圖2顯示了光集成電路必須解決的功能概念框圖。隨著數(shù)字處理和控制能力在光學應用中變得越來越重要，硅成為集成介質(zhì)的自然選擇。這為利用硅技術(shù)的大規(guī)模加工和制造基礎(chǔ)設(shè)施提供了相對較小的批量機會。除了生成功能外，制造商在圖2所示的所有功能中都使用現(xiàn)有的基于硅cmos的工藝。硅是一種間接帶隙材料，因此它不會發(fā)射光子，這意味著生成功能需要另一種技術(shù)。硅光器件成為一個光集成電路的子集，硅光集成電路完成了除激光器以外的所有功能。

新的市場應用

總的來說，光學行業(yè)對傳感應用的潛力感到非常興奮。隨著汽車行業(yè)向更多電動汽車、更復雜的ADAS(高級駕駛輔助系統(tǒng))功能和完全自動駕駛發(fā)展，汽車平臺引起了人們的極大興趣。在受到新冠肺炎的沉重打擊后，汽車行業(yè)正朝著每年1億輛的全球銷量趨勢發(fā)展，如圖3所示，汽車的傳感和檢測機會正在增加，并變得非常復雜。各種尺寸和用途的車輛平臺正在成為傳感器輸入網(wǎng)絡(luò)。

“傳感器”這個術(shù)語，包含許多不同的功能和技術(shù)。隨著汽車開始融入更多的計算機化功能，傳感器在汽車應用中變得越來越重要。隨著半導體檢測和處理能力的提高，駕駛輔助的范圍也在擴大。全面深入地討論傳感器的應用和技術(shù)超出了本文的討論范圍，但目前出售的大多數(shù)車輛都結(jié)合使用了不同頻率的攝像頭、超聲波傳感器和雷達，以實現(xiàn)自適應巡航控制、停車輔助、自動緊急制動和盲點監(jiān)控等功能。這些技術(shù)有優(yōu)點也有缺點，光電子行業(yè)對建立早期成功的激光雷達系統(tǒng)特別感興趣，以幫助汽車行業(yè)向完全自動化發(fā)展。

LiDAR激光雷達(光探測和測距)使用與Radar雷達(無線電探測和測距)相同的原理，兩個系統(tǒng)都發(fā)射電信號，然后探測來自遠處物體的反射。主要的區(qū)別是雷達信號的波長是厘米或毫米，而LiDAR使用波長為納米的光信號。這一點很重要，因為兩種系統(tǒng)的分辨率都與波長有關(guān)。由此帶來的分辨率的提高使LiDAR系統(tǒng)能夠繪制出一個開始接近實際圖像的三維圖像，如圖4所示。通過使用一個或多個旋轉(zhuǎn)收發(fā)器，該系統(tǒng)可以創(chuàng)建車輛周圍360度的3D圖像。當然，LiDAR技術(shù)也面臨著挑戰(zhàn)，這也是硅光行業(yè)被認可的增值之處。

第一個挑戰(zhàn)是合適的系統(tǒng)波長。LiDAR系統(tǒng)接收到的反射光必須在環(huán)境照明中被識別為信號。850nm-940nm波長范圍內(nèi)的太陽輻照量比波長1500nm的水平高三倍。這種增多的太陽輻照量轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)噪音，但在850nm波長處具有實質(zhì)性的顯影活動，這開始讓我們了解到硅光的優(yōu)勢和機會。

檢測反射信號的能力取決于傳感器的材料特性。硅在大約1000納米的波長下是有反應的，但在更長的波長檢測需要一種化合物半導體材料。LiDAR系統(tǒng)的探測器已經(jīng)從PIN二極管發(fā)展到雪崩光電二極管，再到單光子雪崩二極管(SPAD)和硅光電倍增管(SiPM)，后兩種方法能夠被制造成具有更多能力的陣列。盡管更高的太陽輻照度帶來了挑戰(zhàn)，但可以被硅半導體探測和處理的波長提供了成本和性能優(yōu)勢。

早些時候，我們提到通過旋轉(zhuǎn)LiDAR系統(tǒng)實現(xiàn)360度覆蓋，雖然早期版本使用這種方法，但LiDAR制造商的目標是開發(fā)一種陣列方法，在方位角和仰角方向引導光束。MEMS和鏡子，以及液晶超表面，都是正在開發(fā)的陣列組件，但光電子行業(yè)正試圖開發(fā)一種光學相控陣（OPA）。就像它的射頻對應物一樣，OPA需要一個包括啁啾或脈沖激光源、隔離器、放大器、調(diào)制器和分流器的發(fā)射路徑，以及一個包括合路器和探測器的接收路徑。這兩條路徑還需要傳輸、濾波和其他無源結(jié)構(gòu)，檢測到的信號將經(jīng)過大量的處理，以產(chǎn)生像我們在圖4中所見的詳細呈現(xiàn)。

除了激光，所有必要的功能構(gòu)件都存在于目前從事光產(chǎn)品的硅代工廠里的工藝設(shè)計套件（PDK）中。需要使用非硅技術(shù)的分立激光器是一個挑戰(zhàn)，但新興的硅光機會已經(jīng)在接受和優(yōu)化這一障礙。這代表了一種可以接受的讓步，以進入大型和資本雄厚的硅代工和封裝行業(yè)。

一些觀察人士認為，由于技術(shù)限制，LiDAR的部署已經(jīng)放緩。解決這些挑戰(zhàn)的辦法是通過集成和挖掘更多具有成本效益的制造和生產(chǎn)技術(shù)，使電路和面積小型化。隨著生態(tài)系統(tǒng)的成熟和發(fā)展，新興的硅光組件行業(yè)正在解決所有這些問題。以上這些特點，再加上不斷縮小的硅節(jié)點中更多的數(shù)字處理能力，使得硅可能成為LiDAR在汽車應用中具有潛力的技術(shù)選擇。

LiDAR也已經(jīng)進入了其他商業(yè)應用。蘋果公司在其最新的一系列設(shè)備上加入了這一功能。LiDAR功能提高了分辨率和深度，使圖片更加逼真。隨著增強型和虛擬現(xiàn)實設(shè)備的普及，這種能力正變得越來越重要。LiDAR允許在3-D元素疊加之前對空間進行測繪。無人機和機器人使用該技術(shù)進行更精確的測繪和定位。

在更廣泛的范圍內(nèi)，硅在波長小于1000納米（可見和近紅外光譜）的檢測能力使其成為生物傳感器的絕佳選擇。這開啟了一系列健康應用，如葡萄糖監(jiān)測、癌癥或其他傳染病的早期檢測，目前有公司正在開發(fā)基于PIC的生物傳感器，以開發(fā)COVID-19的快速檢測。人們正在討論將這些功能納入智能手表，以實時提供醫(yī)療遙測數(shù)據(jù)。生物傳感器技術(shù)的其他應用包括檢測環(huán)境中的污染物和食品工業(yè)中的化學殘留物和傳染病。

結(jié)論

隨著消費者和企業(yè)接受更復雜的數(shù)字功能，數(shù)據(jù)流量正在急劇增加。實現(xiàn)這種流量爆炸的規(guī)模意味著網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備越來越多地轉(zhuǎn)向光傳輸，因為這種技術(shù)具有巨大的帶寬能力。就像任何電子產(chǎn)品的性能一樣，隨著數(shù)量和性能的增長，尺寸、重量、成本和性能變得越來越重要。對于光市場來說，這意味著越來越依賴使用多種技術(shù)和混合組裝方法的光子集成電路，以及新興的硅光子器件，將除激光以外的所有所需功能集成到硅CMOS技術(shù)中。

硅光生態(tài)系統(tǒng)相對較新，但它正在迅速發(fā)展，它利用了大型的、成熟的CMOS制造基礎(chǔ)設(shè)施。雖然硅光解決方案很新，但通信和連接應用卻不是，這些市場機會的規(guī)模是硅光收入的一個巨大增長引擎。

來自通信需求的強大推動，使光行業(yè)能夠關(guān)注周邊的應用，這些應用將從硅光和光集成電路的優(yōu)勢中受益。汽車應用中的LiDAR正在成為光子學更令人興奮的周邊應用之一，因為該行業(yè)正在向更多的自主內(nèi)容和能力發(fā)展。汽車產(chǎn)量很大，雖然仍有一些挑戰(zhàn)需要解決，但硅光生態(tài)系統(tǒng)對此很感興趣，他們正在開發(fā)令人信服的解決方案來應對這些挑戰(zhàn)。這種強大的增長引擎與新興的汽車和傳感器機會的結(jié)合，支撐著我們看好光市場的前景。

審核編輯：湯梓紅