赋能光通信器件制造，全球首个硅光子代工工艺就绪

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）光通信是以光波为载波的通信方式，根据传输介质的不同，可分为大气激光通信和光纤通信，产业链主要包含光通信器件、光通信系统、光通信应用三部分，其中光通信器件生产和测试是产业的上游环节。当前，光通信器件已经和集成电路(IC)、分立器件、传感器并列成为半导体产业四大分支。

从光通信器件的种类来看，主要分为有源器件和无源器件，前者主要是发光二极管（LED）、激光二极管（LD）、光电二极管（PIN）、放大器和调制器等；后者主要是光纤连接器、耦合器、光开关、光衰减器和光隔离器等。

从产业发展的大趋势来看，未来光通信器件将主要以光集成技术（PIC）为核心，其中一大分支技术是基于III-V簇化合物半导体材料的光集成技术。通过硅光子学 (SiPho)技术，业界能够将传统用于CMOS集成电路上的技术经验转移到光通信器件上。

近日，全球领先的模拟半导体解决方案代工厂高塔半导体（Tower Semiconductor）联合网络通讯设备公司瞻博网络（Juniper Networks）推出全球首个硅光子代工就绪工艺，该工艺集成了III-V族激光器、放大器调制器和探测器。

III-V簇化合物半导体材料主要包括砷化镓、磷化铟、氮化镓等，III-V族激光器更多是有源器件，比如磷化铟便是一种主要用于实现通信波长大规模单片集成的材料。硅光子技术主要是利用现有CMOS 集成电路类似的技术来设计和制造光器件和光电集成电路。 目前，硅光子技术主要用于通信领域，正如高塔半导体所言，将率先解决数据中心和电信网络中的光连接问题，后续将逐步扩展到人工智能 (AI)、激光雷达和其他传感器等新兴应用中。

图源：高塔半导体

据Omdia预测，2020至2024年全球数据中心资本开支年复合增速将达15.7%。数据中心内光收发模块将向400G演进，至2025年全球数据中心400G光模块规模将达45亿美元，未来数据中心光模块将向800G及更高速率和光电共同封装(CPO)等演进。高塔半导体援引市场研究公司 Yole的数据表示，数据中心的硅光子收发器市场预计将以 40% 的复合年增长率快速增长，到 2025 年将超过50亿美元。 新平台可将III-V族激光器、半导体光放大器（SOA）、电吸收调制器（EAM）和光电探测器与硅光子器件共同集成在一颗单芯片上。这使得更小、更高通道数，以及更高能效的光学架构和解决方案成为可能。

根据官方发布的新闻消息，工艺设计套件 (PDK) 预计将在年底推出，首个开放式多项目晶圆 (MPW) 运行预计将于明年初推出。带有集成激光器的完整 400Gb/s 和 800Gb/s PIC 参考设计的首批样品预计将于 2022 年第二季度推出。

高塔半导体首席执行官 Russell Ellwanger 表示，“现在可以将 III-V 族半导体的优势与大批量硅光子制造相结合。作为独一无二的开放市场、集成激光硅光子学平台，并且比任何潜在的代工竞争者都拥有多年优势，我们正在共同为我们的行业和整个社会创造具有真正独特价值的突破性产品。” 更高通道数的取得对于光通信器件的发展是一大利好消息，过往磷化铟（InP）和砷化镓（GaAs）等稀有金属材质制成的光芯片在通道容量上有着较为严重的制约。

同时，高塔半导体新平台的出现解决了产业界的另一个难题，那就是由于激光器在各核心器件中失效率较高，导致“光电合封”芯片的良率普遍不高，而按照代工的传统经验，目前高塔半导体的前期工艺已经就绪，因此能够在硅光器件的良率上助力产业进一步发展。 同时，该代工方案的推出也预示着产业发展进入了下一阶段，过往更主流的方案是混合集成方案，也就是采用分立贴装或晶圆键合等不同方式将三五族的激光器与硅上集成的调制器、耦合光路等组装在一起。很显然单片硅光方案在集成度、易用度、能效、成本等方案都更具优势，同时在带宽和传输速度方面也定然会更上一个台阶。而400Gb/s光子集成电路方案预计将进一步加快400G技术在各行业的普及，800Gb/s PIC 参考设计帮助产业加速进入800G范畴。