汽车和消费应用正受益于硅光技术

硅光（SiP）已经受益于通信行业的强力推动。通过利用业界庞大的CMOS和相关的大批量硅工艺、材料和封装专业知识，SiP正在超越电信和数据通信领域，将硅制造的经济和性能带到汽车和生物技术应用中。

随着全球经济陆续从新冠疫情中复苏，以及世界各地经济活动的节奏加快，宽带连接的重要性不言而喻。各国都在扩大其宽带覆盖范围，用户亦需更高的数据速率，以满足他们不断增长的视频和应用需求。由此导致过去十年数据流量激增。曲线显示了思科网络数据对未来十年的推断，这是一个必然的结论；数据流量很大，而且增长很快。

红色曲线表示IP (Internet Protocol)数据流量，表示所有的传输数据，无论这些数据是通过无线网络还是有线网络传输的。这一数据推断预测，在预测期内，预测流量将增加125倍。更令人印象深刻的是蓝线所显示的数据量。这条曲线表示数据中心的预期数据流量。这种短距离的数据流量是IP数据的5到6倍，它反映了数据通信的重要性日益增加，因为我们越来越适应云计算，家庭成为我们与世界许多互动的中心。

这种通信活动的规模正变得越来越清晰。随着5G无线标准的出现，手机终端数量将超过10亿台，整个电子产品市场也将受到影响。有报告称，光模块总出货量将在未来5年内达到10亿，数据中心端口年出货量将在未来几年超过6000万。

这种通信技术的需求，对硅光和光集成电路(PIC)生态系统的发展和成熟中起到了推动作用。虽然目前的通信需求推动了光学市场，但该行业正在关注其他快速增长、大批量的应用，这些应用可以从器件和网络中更多的光产品中受益。

硅光

光器件面临着与电子器件相同的压力，即体积更小、价格更低、性能更好以实现更多的功能。面对这些挑战，光学元件制造商采用的是更多的一体化方案。光集成电路设计和制造技术随着组件发展方向的发展，在光模块中包含更多的电气和光学功能。这些模块是直接和相干检测方案的混合体，这意味着需要各种化合物半导体来优化线性功能，同时还需要越来越多的数字硅来提高性能特性。

图2显示了光集成电路必须解决的功能概念框图。随着数字处理和控制能力在光学应用中变得越来越重要，硅成为集成介质的自然选择。这为利用硅技术的大规模加工和制造基础设施提供了相对较小的批量机会。除了生成功能外，制造商在图2所示的所有功能中都使用现有的基于硅cmos的工艺。硅是一种间接带隙材料，因此它不会发射光子，这意味着生成功能需要另一种技术。硅光器件成为一个光集成电路的子集，硅光集成电路完成了除激光器以外的所有功能。

新的市场应用

总的来说，光学行业对传感应用的潜力感到非常兴奋。随着汽车行业向更多电动汽车、更复杂的ADAS(高级驾驶辅助系统)功能和完全自动驾驶发展，汽车平台引起了人们的极大兴趣。在受到新冠肺炎的沉重打击后，汽车行业正朝着每年1亿辆的全球销量趋势发展，如图3所示，汽车的传感和检测机会正在增加，并变得非常复杂。各种尺寸和用途的车辆平台正在成为传感器输入网络。

“传感器”这个术语，包含许多不同的功能和技术。随着汽车开始融入更多的计算机化功能，传感器在汽车应用中变得越来越重要。随着半导体检测和处理能力的提高，驾驶辅助的范围也在扩大。全面深入地讨论传感器的应用和技术超出了本文的讨论范围，但目前出售的大多数车辆都结合使用了不同频率的摄像头、超声波传感器和雷达，以实现自适应巡航控制、停车辅助、自动紧急制动和盲点监控等功能。这些技术有优点也有缺点，光电子行业对建立早期成功的激光雷达系统特别感兴趣，以帮助汽车行业向完全自动化发展。

LiDAR激光雷达(光探测和测距)使用与Radar雷达(无线电探测和测距)相同的原理，两个系统都发射电信号，然后探测来自远处物体的反射。主要的区别是雷达信号的波长是厘米或毫米，而LiDAR使用波长为纳米的光信号。这一点很重要，因为两种系统的分辨率都与波长有关。由此带来的分辨率的提高使LiDAR系统能够绘制出一个开始接近实际图像的三维图像，如图4所示。通过使用一个或多个旋转收发器，该系统可以创建车辆周围360度的3D图像。当然，LiDAR技术也面临着挑战，这也是硅光行业被认可的增值之处。

第一个挑战是合适的系统波长。LiDAR系统接收到的反射光必须在环境照明中被识别为信号。850nm-940nm波长范围内的太阳辐照量比波长1500nm的水平高三倍。这种增多的太阳辐照量转化为系统噪音，但在850nm波长处具有实质性的显影活动，这开始让我们了解到硅光的优势和机会。

检测反射信号的能力取决于传感器的材料特性。硅在大约1000纳米的波长下是有反应的，但在更长的波长检测需要一种化合物半导体材料。LiDAR系统的探测器已经从PIN二极管发展到雪崩光电二极管，再到单光子雪崩二极管(SPAD)和硅光电倍增管(SiPM)，后两种方法能够被制造成具有更多能力的阵列。尽管更高的太阳辐照度带来了挑战，但可以被硅半导体探测和处理的波长提供了成本和性能优势。

早些时候，我们提到通过旋转LiDAR系统实现360度覆盖，虽然早期版本使用这种方法，但LiDAR制造商的目标是开发一种阵列方法，在方位角和仰角方向引导光束。MEMS和镜子，以及液晶超表面，都是正在开发的阵列组件，但光电子行业正试图开发一种光学相控阵（OPA）。就像它的射频对应物一样，OPA需要一个包括啁啾或脉冲激光源、隔离器、放大器、调制器和分流器的发射路径，以及一个包括合路器和探测器的接收路径。这两条路径还需要传输、滤波和其他无源结构，检测到的信号将经过大量的处理，以产生像我们在图4中所见的详细呈现。

除了激光，所有必要的功能构件都存在于目前从事光产品的硅代工厂里的工艺设计套件（PDK）中。需要使用非硅技术的分立激光器是一个挑战，但新兴的硅光机会已经在接受和优化这一障碍。这代表了一种可以接受的让步，以进入大型和资本雄厚的硅代工和封装行业。

一些观察人士认为，由于技术限制，LiDAR的部署已经放缓。解决这些挑战的办法是通过集成和挖掘更多具有成本效益的制造和生产技术，使电路和面积小型化。随着生态系统的成熟和发展，新兴的硅光组件行业正在解决所有这些问题。以上这些特点，再加上不断缩小的硅节点中更多的数字处理能力，使得硅可能成为LiDAR在汽车应用中具有潜力的技术选择。

LiDAR也已经进入了其他商业应用。苹果公司在其最新的一系列设备上加入了这一功能。LiDAR功能提高了分辨率和深度，使图片更加逼真。随着增强型和虚拟现实设备的普及，这种能力正变得越来越重要。LiDAR允许在3-D元素叠加之前对空间进行测绘。无人机和机器人使用该技术进行更精确的测绘和定位。

在更广泛的范围内，硅在波长小于1000纳米（可见和近红外光谱）的检测能力使其成为生物传感器的绝佳选择。这开启了一系列健康应用，如葡萄糖监测、癌症或其他传染病的早期检测，目前有公司正在开发基于PIC的生物传感器，以开发COVID-19的快速检测。人们正在讨论将这些功能纳入智能手表，以实时提供医疗遥测数据。生物传感器技术的其他应用包括检测环境中的污染物和食品工业中的化学残留物和传染病。

结论

随着消费者和企业接受更复杂的数字功能，数据流量正在急剧增加。实现这种流量爆炸的规模意味着网络和设备越来越多地转向光传输，因为这种技术具有巨大的带宽能力。就像任何电子产品的性能一样，随着数量和性能的增长，尺寸、重量、成本和性能变得越来越重要。对于光市场来说，这意味着越来越依赖使用多种技术和混合组装方法的光子集成电路，以及新兴的硅光子器件，将除激光以外的所有所需功能集成到硅CMOS技术中。

硅光生态系统相对较新，但它正在迅速发展，它利用了大型的、成熟的CMOS制造基础设施。虽然硅光解决方案很新，但通信和连接应用却不是，这些市场机会的规模是硅光收入的一个巨大增长引擎。

来自通信需求的强大推动，使光行业能够关注周边的应用，这些应用将从硅光和光集成电路的优势中受益。汽车应用中的LiDAR正在成为光子学更令人兴奋的周边应用之一，因为该行业正在向更多的自主内容和能力发展。汽车产量很大，虽然仍有一些挑战需要解决，但硅光生态系统对此很感兴趣，他们正在开发令人信服的解决方案来应对这些挑战。这种强大的增长引擎与新兴的汽车和传感器机会的结合，支撑着我们看好光市场的前景。

审核编辑：汤梓红