CUMEC公司硅基混合集成創(chuàng)新平臺加速硅光“中國芯”落地

4月12日消息（雋暢）今日，由中國光博會與C114通信網(wǎng)聯(lián)合主辦的“2022中國光通信高質(zhì)量發(fā)展論壇——400G技術(shù)專場”順利召開。聯(lián)合微電子中心有限責任公司（CUMEC公司）高級工程師邵斯竹應(yīng)邀出席會議，詳細介紹了硅光技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用，同時分享了CUMEC公司硅基混合集成創(chuàng)新平臺的最新進展。

多方需求推動硅光高速發(fā)展

當前，數(shù)據(jù)流量高速增長已成為硅光技術(shù)需求的原生動力。數(shù)據(jù)中心、干線傳輸、城域傳輸三大應(yīng)用場景均對光器件提出低成本、低功耗、小尺寸的需求，這驅(qū)動著光模塊工作速率不斷升級，有力推動硅光行業(yè)的快速發(fā)展。與此同時，來自AI、激光雷達、量子通信、傳感集成等光系統(tǒng)領(lǐng)域的需求也為硅光技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展機遇。

邵斯竹表示，硅光的優(yōu)勢主要包括集成優(yōu)勢與材料優(yōu)勢。在集成方面，硅光芯片的波導(dǎo)具有較大的折率差，可以很好地限制光場，芯片尺寸能做到很小。相對于分立的器件，硅光芯片的封裝界面減小，可以有效地減少器件與器件之間的封裝工序和損耗，深受復(fù)雜系統(tǒng)的青睞。在材料方面，硅材料價格低廉且與CMOS工藝兼容，具有規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢，故而穩(wěn)定性好、良率高，大規(guī)模生產(chǎn)能夠有效降低成本。

近年來，硅光應(yīng)用規(guī)模不斷擴大。2016年，Yole預(yù)測2025年硅光市場規(guī)模將超過13億美元，其中超過90%來自數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。2018年，Yole預(yù)測硅光市場規(guī)模將于2024年擴大至41.4億美元。邵斯竹指出，在100G和400G時代，硅光開始滲透，主要聚焦短距和相干領(lǐng)域。800G時代，硅光可實現(xiàn)全應(yīng)用領(lǐng)域的覆蓋。

應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的六類硅光技術(shù)

邵斯竹介紹，硅光技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用主要有六類：

第一類是光源技術(shù)。由于硅材料是間接代謝的半導(dǎo)體，在通訊波段不具備發(fā)光能力，量子點結(jié)構(gòu)方案是目前的重要研究方向。量子點的離散分布特點具有更好的未錯容忍度，能夠有效過濾未錯缺陷對有源區(qū)的影響，可以制造高性能的片上光源。

第二類是低損波導(dǎo)技術(shù)。低損耗的波導(dǎo)是硅光芯片的核心技術(shù)，較大的波導(dǎo)損耗會限制系統(tǒng)的規(guī)模。系統(tǒng)越大，波導(dǎo)損耗的影響就越明顯。

第三類是耦合技術(shù)。主要的耦合技術(shù)分為光柵耦合和端面耦合，兩類方案各有優(yōu)勢。光柵耦合適用于鏡面及測試，但光學帶寬較小，需要將損耗降至最低，才能滿足波動情況下的光模塊應(yīng)用。端面耦合的光學帶寬很大，損耗易控，但晶圓級的測試難度較大。

第四類是高速調(diào)制技術(shù)。2004年Intel公司提出MOS型電光調(diào)制器，首次將硅基電光調(diào)制器速率提高到Gb/s量級。此后，業(yè)界提出反向偏置的PN結(jié)構(gòu)，消除載流子擴散效應(yīng)，將調(diào)制速率提高到50Gb/s以上。目前，通過PAM4、QAM16等高階調(diào)制格式，硅基電光調(diào)制器的速率可輕松突破100Gb/s。

第五類是高速解調(diào)技術(shù)。硅材料對通信波段透明，需要通過硅外延技術(shù)實現(xiàn)通信波段的高速探測，當前業(yè)界已經(jīng)實現(xiàn)100Gb/s以上的探測速率。

第六類是無源器件技術(shù)。硅光器件具有“木桶優(yōu)勢”，其各方面能力均衡的特征有利于為混合技術(shù)提供平臺。例如，集成電光特性優(yōu)異的磷酸鋰或集成波導(dǎo)損耗和耦合損耗都很小的氮化硅。

CUMEC發(fā)力硅基混合集成技術(shù)

“隨著速率不斷提升，電器件的工藝節(jié)點會越來越高，從而導(dǎo)致單片集成的性價比不盡如人意。”邵斯竹表示，“CUMEC公司采用RDL、TSV先進封裝技術(shù)，可以將光芯片與電芯片共封裝成任何客戶需要的光電系統(tǒng)，在實現(xiàn)高性能的同時提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性并降低功耗。混合集成技術(shù)將成為前述六類技術(shù)外的另一項重要技術(shù)。”

據(jù)了解，CUMEC公司的工藝線具備光刻、刻蝕、薄膜、擴散四大能力，已經(jīng)實現(xiàn)硅光工藝PDK開發(fā)以及IPD器件PDK開發(fā)。2021年，CUMEC公司成功推出基于硅光芯片的第一代三維集成PDK，其TSV的1.4dB帶寬大于50GHz，反射小于20dB，傳輸損耗達到國際領(lǐng)先水平。此外，CUMEC公司與合作伙伴展開100G DR1硅光芯片的模塊驗證，測試性能滿足行業(yè)協(xié)議，實現(xiàn)了100G DR1芯片的國產(chǎn)化。

硅光技術(shù)是我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)“換道超車”的重要技術(shù)手段。CUMEC公司作為重慶市政府重磅打造的國家級、國際化新型研發(fā)機構(gòu)，旨在構(gòu)建我國新一代微電子關(guān)鍵核心技術(shù)自主創(chuàng)新能力，打造集設(shè)計、產(chǎn)品和工藝為一體的硅基混合集成創(chuàng)新中心，走超越摩爾定律的發(fā)展路線，成為國際一流、國家級的創(chuàng)新平臺。

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