矽光子在未来的挑战与机会 新闻来源：https://bit.ly/2LSuseX 本文： 将光子和电子整合在同一个晶片上还有很长的路要走，但在矽光子(silicon photonics) 的先进封装技术进步，使得将光通讯用於各种新应用逐渐成为可能。 利用晶片之间或基於独立模组的光通讯，最终可能对晶片设计产生重大影响。通过波传导 的移动光子比铜线中的移动电子快得多，并且驱动光讯号所需的功率远小於电讯号。除此 之外，实际上整个光谱中所提供可使用的光线选项，大多数都具有可忽略的散热。到目前 为止，这仍然是半导体设计中尚未开发的选项，但随着制造制程和封装开始成熟，这种状 况开始发生变化。 这些应用范围可以从麦克风到医疗设备，其中，反射光可以用於测量振动或温度变化。例 如，在光学麦克风中，用光学雷射光束照射反射膜，当声波击中该反射膜时，可以测量反 射光并将其转换成音频讯号。更特别而有趣的是，麦克风头和电子元件可以分开，以限制 各种类型的干扰，并且光讯号不受磁场的影响。虽然这适用於典型的麦克风，但它也打开 了使用光进行磁共振成像(MRI)的大门，因为讯号不受电磁干扰的影响。 另外，处理过程须考虑到如何降低耗能的议题。 利用光进行大量数据传送。在伺服器和外部记忆体之间，利用光去传送大量数据，或在封 装内晶片之间移动，这些是很大不同方式。但它确实显示了光通讯的进展程度。直到几年 前，甚至没有标准方法可将光讯号连接到晶片，或者光纤连接到数据中心伺服器内部。这 已经发生了显着变化，现在可以将光通讯推向装置设备(device)等级。 业界专业人士认为，封装光子模组将成为电光整合(electro-optical integration)发展 的下一个重要步骤，也是该技术的主要推动因素。安装在电路板上的封装不会接近完全的 光电整合，但它们是超越机台顶部连接或连接机箱与伺服器前板的光学端口的进步，这是 当前标准的电光连接(electro-optical connections)。 最终的目标是将电子IC、光子IC(photonic integrated circuit , PIC)、以及基於CMOS 用於收发器/接收器，甚至雷射驱动器，全部一起整合放在同一晶片上。但，实现这一目 标还有很长的路要走。 实际上，只需将包括光子接口的封装连接到内部基板上，就可以超越伺服器机箱外部的光 子连接。共同封装光学元件(Co-packaged optics)是现在正在发生的事情，但我们没有尽 可能拉近处理器和记忆体。例如：Rockley公司展示一种装置设备，它们取代了长脊铜轨 道(long ridge copper track)，该设备具有非常短距离的电气连接，而且将所有光纤带 全都封装起来。 光纤运行到伺服器的能力将在数据中心运作，数据中心正在大量覆盖用户和机器生成的数 据。这推动了光子晶片制造商走出电信和光网路市场相对低销量的世界，进入数据中心伺 服器市场，因为这需要大规模量产以及需要设计和规划效率。 从长远来看，矽中介层(silicon interposer)实际上可以作为光子IC，现在它已成为光子 IC的基础平台。 这也开始为光子学增加经济规模、降低成本，并使其对电子设计自动化(Electronic design automation, EDA)和设备公司对该行业投入资源更具吸引力。几年前，适合EDA开 发工具也没有。但现在Ayar Labs与英特尔(Intel)合作并推动CMOS光电子技术。这是一个 成熟的平台，将光子学与数位化相结合，接下来下一步，就是需要制造跟设计。 长期以来，光网路(Optical networking)主要应用於电信市场，已建立的设计和制造的最 佳的实践，很有可能针对数据中心市场进行传输低量的规范，而且验证过程也很有可能是 如此。 可用於个人网际网路通讯器(personal internet communicator, PIC)设计的工具数量可 能低於可用於电子产品的数量，但这对他们来说并不重要。反而，将他们整合起来，才是 重要的事。所以先弄清楚如何将这些东西整合到一个共同设计的IC电路环境中，而且PIC 的成本现在可以是封装的80%到90%。电子就像过去经验一样，当所有东西都整合到一个元 件时，它们都将被整合到电路板中，也代表着这将会降低价格。 然而，矽光子发展不仅因缺乏工具而受到阻碍。光子学电路的市场规模和物理特性，都与 电子元素有很大的不同，很难将它们连接到同一IC表面，更不用说让它们有效地协同工作 。 由於光子是巨大的微米(Microns)，所以不必使用到奈米级模组的成本，它会占用大量的 空间。之前，投入研究光子研究较少。所以，光子还需要一种新的思考晶片设计方法。组 装和封装也不同，将光纤连接对准晶片边缘以向下漏斗到波传导，意味着将一个可能为 200奈米的元件，与另一个仅能以微米测量的元素匹配，但元素的对准必须达到3D上完美 接合，甚至是比铜上的电连接更精确，或使光不能通过。 曲线元件(Curving components)和光子布局与原理图(layout-vs-schematic, LVS)测试设 计规则检查(design rule checking, DRC)的差异，使得验证更加复杂。若缺少光子元件 的特定指南，工具和规格也会使电路模拟变得更加困难。 测试和其他挑战。同时，测试选项也很少，以至於很多公司最终都建立了自己的光子学自 动测试仪器(automatic test equipment, ATE)，因为传统独立的ATE并没有考虑到光子设 计的特异之处。 对於大多数封装零件，你不能只将光子收发器放在典型的插座中。仪器接口与电源管理IP 或DAC和ADC非常不同，它们不仅提供电压和电流，还提供光源。因此，很少的测试设备能 够处理它。 热敏感度是另一个问题。虽然光本身产生很少或几乎没有热能，但是其他电路和雷射本身 的散热可能会导致问题。所以，必须确保可以控制温度，而不仅仅是防止过热。整个封装 ，包括雷射器、波传导管、电子IC、PIC、以及CMOS驱动器，应该是个别和共同对温度变 化灵敏的。将存在电感(inductance)、串扰(crosstalk)、讯号完整性、电源完整性、高 频元件的影响、热应力、以及机械应力，进行温度控制。但如果无法控制封装内部的热梯 度(thermal gradient)，就无法控制矽光子的性能。这是矽光子学3D-IC阶段的成败问题 。 --

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