Roel Baets教授解析硅基光电子4.0

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引言
  s& h5 _3 K8 s1 H) q2 R1 c# U  }硅基光电子技术已经改变了光通信领域，特别是在需要高速光收发器的数据中心。Roel Baets教授在ECOC 2024提出硅基光电子4.0（SiPh4.0）的洞见，指出硅基光电子技术的现状、面临的挑战以及SiPh4.0提供的潜在解决方案[1]，本文根据原稿梳理与大家分享。
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硅基光电子技术的现状
  \7 _4 q+ Q( l5 P) {: h硅基光电子技术已成为数据通信和电信高速光收发器的关键技术。这些收发器能够达到接近1 Tb/s的总数据速率，每年由主要晶圆厂和集成器件制造商（IDM）大量生产。主流技术使用硅绝缘体（SOI）晶圆，在45、65或90纳米节点的CMOS晶圆厂中加工。
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% d; Y/ \7 A) T5 j6 |这项技术在通信应用中取得了巨大成功，人们对扩展其用途到其他领域的兴趣日益增长。研究人员正在探索通信以外的新功能和应用，包括：

高性能计算系统和人工智能

工业和医疗传感器

诊断

激光雷达和3D传感

量子应用
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扩展硅基光电子技术面临的挑战
! H% f* f+ t. W7 W0 W8 W这些新应用潜力巨大，但仍有几个挑战阻碍了广泛采用：

材料限制：许多新应用需要传统电信O波段和C波段以外的光谱带。这需要引入超出标准SOI技术的新材料。

多样化材料需求：所需的新材料列表很长，包括氮化硅、氧化铝、氮化铝、铌酸锂、钽酸钡、石墨烯、二维材料、聚合物、液晶和胶体量子点等。

制造复杂性：将这些新材料整合到现有的CMOS制造工艺中具有挑战性，因为有些材料与标准CMOS环境不兼容。

供应链障碍：为这种多样化的材料和工艺开发工业供应和价值链是一个重大挑战。

创业公司面临的挑战：无晶圆厂的创业公司在基于尚不成熟的工业供应链开发产品时面临重大障碍。通常，他们必须与技术提供商共同投资新的工艺流程，这可能成本过高。
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% D* `& e9 Q- G  |  @9 a* u& j- T这些挑战在研究和产品开发与实际产品销售和工业工艺流程之间造成了巨大差距。虽然在收发器领域之外有数百种新产品类型正在研究和开发，但目前市场上销售的可能不到十种。
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. {# ?+ D, |1 v, x% a5 h介绍硅基光电子4.0（SiPh4.0）
为了应对这些挑战，提出了硅基光电子4.0的概念。SiPh4.0包括任何打破供应链障碍的措施，特别是为创新型创业公司和扩张型公司服务，尽管技术、应用和市场正在多样化。
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) x( ?6 |# t7 M0 t+ }0 r受工业4.0原则的启发，SiPh4.0旨在为多样化的硅基光电子生态系统创造经济可持续的供应和价值链。

' T6 r5 A3 _) k: e, D8 xSiPh4.0的关键方法包括：

分散式开放访问晶圆厂模式：这种模式旨在为创业公司和小型公司提供更灵活、更易获得的制造选择。

基于Chiplet的后端加工制造：这种方法允许更模块化和可定制的芯片设计，可能降低成本并提高灵活性。

稳健的技术模块：这些标准化模块可以在多个应用中重复使用，并配有全面的、开放访问的模块工艺设计工具包（PDK）。

多利益相关者PDK：为完整工艺流程开发全面的PDK，涉及多个利益相关者以确保广泛适用性。

可编程光电子集成芯片（PIC）：这些允许快速原型设计，缩短开发周期并降低创业公司的成本。

劳动力发展：对人员进行技能提升和再培训，以满足行业不断变化的需求。
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7 {. G( f" N" n. w$ l3 A; ?实施SiPh4.0
* `( \* F1 L9 Q% d虽然这些想法中有许多并不完全新颖，但在SiPh4.0框架下集体实施可能会对行业产生重大影响。实施的关键考虑因素包括：

标准化：开发不同技术模块之间的标准接口，以确保无缝集成。

数据驱动方法：利用广泛的数据和参数化模型创建更准确和有用的PDK。

跨学科集成：确保光电子模块可以与非光电子元素（电子、机械、化学、流体）无缝对接。

质量控制：实施工艺控制监测线路（PCM），以评估单个模块是否符合规格。

整体方法：将SiPh4.0原则扩展到芯片制造之外，包括封装、Assembly和测试。
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: G1 _0 V, z" c, t结论
0 J% Q3 t* R) {" r2 C3 m硅基光电子4.0代表了光电子集成领域的重要发展。通过解决多样化和可扩展性的挑战，旨在缩小研究和商业成功之间的差距。实施SiPh4.0原则可能会导致更强大、更灵活、更易获得的硅基光电子生态系统，促进创新并加速新应用的开发。
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! [; o; h3 U" |& @5 M# a随着行业的发展，合作和开放对话将不可或缺。整个供应链的利益相关者（提供者和用户）必须做出有助于加强该领域显着增长的选择。在这些决策中，平衡短期和长期收入优化将是一个关键考虑因素。

硅基光电子的未来充满希望，通过采用SiPh4.0原则，我们可能会看到这一令人兴奋的领域出现数量级的增长。正如业内常说的那样，" Let's PIC it！"

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6 E  A; E" A  b; a7 N. }参考来源
[1] R. Baets, "Towards Silicon Photonics 4.0," Oct. 4, 2024. [Online]. Available: https://www.linkedin.com/pulse/towards-silicon-photonics-40-roel-baets-0yqye/
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